JP6885542B2 - Energy recovery device - Google Patents
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Description
本発明は、都市ガス等の圧縮気体を減圧する際に発生する圧力差による圧力エネルギを利用して、発電するエネルギ回収装置に関する。 The present invention relates to an energy recovery device that generates electricity by utilizing pressure energy due to a pressure difference generated when a compressed gas such as city gas is depressurized.
都市ガスは、製造所から需要家まで導管を通じて供給される。供給の途中で高圧の都市ガスが減圧される。減圧する際の圧力差により圧力エネルギが発生する。この圧力エネルギを有効に利用するために、圧力エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ回収装置が設けられる。エネルギ回収装置は、ガスの有する圧力エネルギを運動エネルギに変換する原動機と、運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機とを備えている。 City gas is supplied from the factory to the customer through a conduit. High-pressure city gas is depressurized during supply. Pressure energy is generated by the pressure difference when depressurizing. In order to effectively utilize this pressure energy, an energy recovery device that converts the pressure energy into electrical energy is provided. The energy recovery device includes a prime mover that converts the pressure energy of the gas into kinetic energy and a generator that converts the kinetic energy into electrical energy.
例えば、特許文献１では、高圧ガスを減圧するために原動機として、ガスタービンが使用される。高圧ガスがガスタービンに導入されると、減圧に伴う膨張によりガスタービンが駆動され、ガスタービンに同軸で連結された発電機が動作して発電が行われる。
For example, in
ところで、ガスタービンに連結された発電機において、発電機の出力にハンチングが発生することがある。このハンチングを抑制するために、例えば特許文献２には、ハンチングが検出されたとき、ガスタービンへの燃料投入量をガスタービン回転速度に応答する制御から発電機出力に応答する制御に切り替えることが記載されている。
By the way, in a generator connected to a gas turbine, hunting may occur in the output of the generator. In order to suppress this hunting, for example, in
上記のように、高圧のガスを減圧する場合、ガスタービンが使用されるが、中圧のガスを減圧する場合には、特許文献３に記載されているように、原動機としてエアモータが使用される。ここで、エアモータには、ガバナを備えたものがあり、エアモータの回転速度が一定速度になるように制御される。このようなエアモータでも回転速度がハンチングすることがある。エアモータの回転速度のハンチングに伴って、発電機の出力もハンチングする。発電機の出力が安定せず、しかもエアモータを通過して減圧されたガスの圧力が変動して、安定したガスの供給が行えなくなる。
As described above, a gas turbine is used when depressurizing a high-pressure gas, but an air motor is used as a prime mover when depressurizing a medium-pressure gas, as described in
しかし、エアモータの制御はガスタービンの制御とは異なる。そのため、定速度制御されるエアモータを使用したエネルギ回収装置において、エアモータの速度制御が不安定になり、発電機の出力にハンチングが発生したとき、ハンチングを抑制するには、エアモータの速度制御の安定化を図る必要があるが、容易に対応できないのが実状である。 However, the control of the air motor is different from the control of the gas turbine. Therefore, in an energy recovery device using an air motor that is controlled at a constant speed, when the speed control of the air motor becomes unstable and hunting occurs in the output of the generator, the speed control of the air motor is stable in order to suppress hunting. It is necessary to improve the system, but the reality is that it cannot be easily dealt with.
そこで、本発明は、上記に鑑み、エアモータ等の原動機の回転速度のハンチングを抑制して、安定した発電およびガス等の圧縮気体の供給を行えるエネルギ回収装置の提供を目的とする。 Therefore, in view of the above, it is an object of the present invention to provide an energy recovery device capable of suppressing hunting of the rotational speed of a prime mover such as an air motor, stably generating power, and supplying a compressed gas such as a gas.
本発明のエネルギ回収装置は、圧縮気体が減圧される過程で圧縮気体により回転駆動され、回転速度が一定に制御される原動機と、原動機に連結され、電気エネルギを出力する同期発電機と、同期発電機の出力によって得られる入力電圧を一定に制御するパワーコンディショナと、減圧後の圧縮気体の圧力が一定になるように原動機の出力を制御するために同期発電機の出力を調整する制御装置と、原動機の回転速度にハンチングが発生したとき、同期発電機の出力の変動の位相が回転速度の変動の位相と同じになるようにするための抑制信号を制御装置に出力するハンチング防止装置とを備えたものである。制御装置は、減圧後の圧縮気体の圧力に基づいて決められた同期発電機への出力指令信号を抑制信号に基づいて修正する。修正された出力指令信号によって同期発電機が動作すると、同期発電機の出力が変化するので、原動機の負荷トルクが変化し、原動機の回転速度の変化を抑制しようとして、回転速度のハンチングが収束する。 The energy recovery device of the present invention synchronizes with a prime mover that is rotationally driven by the compressed gas in the process of depressurizing the compressed gas and whose rotation speed is controlled to be constant, and a synchronous generator that is connected to the prime mover and outputs electric energy. A power conditioner that controls the input voltage obtained by the output of the generator to be constant, and a control device that adjusts the output of the synchronous generator to control the output of the prime mover so that the pressure of the compressed gas after decompression becomes constant. And a hunting prevention device that outputs a suppression signal to the control device to make the phase of the fluctuation of the output of the synchronous generator the same as the phase of the fluctuation of the rotation speed when hunting occurs at the rotation speed of the prime mover. It is equipped with. The control device corrects the output command signal to the synchronous generator determined based on the pressure of the compressed gas after decompression based on the suppression signal. When the synchronous generator operates with the modified output command signal, the output of the synchronous generator changes, so the load torque of the prime mover changes, and the hunting of the rotational speed converges in an attempt to suppress the change in the rotational speed of the prime mover. ..
ハンチング防止装置は、回転速度の変動成分を抽出して、この変動成分を移相して生成した抑制信号を制御装置に出力し、制御装置は、抑制信号を出力指令信号に重畳して、出力指令信号を修正する。すなわち、ハンチング防止装置は、原動機の回転速度のハンチングに応じて変動する同期発電機の出力電圧の周波数の変動成分を抽出する抽出部と、この変動成分を移相する移相部とを備え、移相された変動成分に基づく信号を抑制信号として出力する。 The hunting prevention device extracts the fluctuation component of the rotation speed and outputs the suppression signal generated by phase shifting the fluctuation component to the control device, and the control device superimposes the suppression signal on the output command signal and outputs it. Correct the command signal. That is, the hunting prevention device includes an extraction unit that extracts a fluctuation component of the frequency of the output voltage of the synchronous generator that fluctuates according to the hunting of the rotation speed of the prime mover, and a phase shift unit that shifts the fluctuation component. A signal based on the phase-shifted variable component is output as a suppression signal.
出力指令信号は、減圧後の圧縮気体の圧力が一定になるように圧縮気体の圧力に応じて決められ、減圧後の圧縮気体の圧力が変化したとき、制御装置は、同期発電機に供給する界磁電流を出力指令信号に基づいて生成し、同期発電機の出力が界磁電流に応じて調整されて、同期発電機の出力の変化に応じて原動機の回転速度が変化しようとしたとき、原動機は定速度制御されているので、原動機を通過する圧縮気体の流量が調整され、回転速度が一定になる。 The output command signal is determined according to the pressure of the compressed gas so that the pressure of the compressed gas after decompression becomes constant, and when the pressure of the compressed gas after decompression changes, the control device supplies the synchronous generator. When a field current is generated based on the output command signal, the output of the synchronous generator is adjusted according to the field current, and the rotation speed of the prime mover tries to change according to the change in the output of the synchronous generator. Since the prime mover is controlled at a constant speed, the flow rate of the compressed gas passing through the prime mover is adjusted and the rotation speed becomes constant.
本発明によると、同期発電機の出力の変動と原動機の回転速度の変動が同位相になるように同期発電機を制御することにより、原動機の回転速度のハンチングを抑制することができる。 According to the present invention, hunting of the rotation speed of the prime mover can be suppressed by controlling the synchronous generator so that the fluctuation of the output of the synchronous generator and the fluctuation of the rotation speed of the prime mover are in phase with each other.
本発明のエネルギ回収装置は、圧縮気体である都市ガスを減圧して供給するガス供給システムに用いられ、都市ガスを減圧する過程で都市ガスの有する圧力エネルギを電気エネルギに変換し、発生した電力を商用電源に連系させて、商用電源との連系運転を行う。エネルギ回収装置は、図１に示すように、ガスが減圧される過程でガスにより回転駆動され、回転速度が一定に制御されるエアモータ１と、エアモータ１に連結され、電気エネルギを出力する同期発電機２と、同期発電機２の出力によって得られる入力電圧を一定に制御するパワーコンディショナ３と、減圧後の圧縮気体の圧力が一定になるようにエアモータ１の出力を制御するために同期発電機２の出力を調整する制御装置４とを備えている。そして、エネルギ回収装置は、エアモータ１の回転速度にハンチングが発生したとき、このハンチングを抑制するためのハンチング防止装置５を備えている。
The energy recovery device of the present invention is used in a gas supply system that depressurizes and supplies city gas, which is a compressed gas, and converts the pressure energy of the city gas into electric energy in the process of depressurizing the city gas, and generates electric power. Is connected to the commercial power supply, and the interconnection operation with the commercial power supply is performed. As shown in FIG. 1, the energy recovery device is connected to an
エアモータ１からなる原動機は、都市ガスが流れるメイン導管６に介装される。エアモータ１の上流側に開閉バルブ７が配置されている。メイン導管６に、バイパス導管８がエアモータ１と並列に接続される。バイパス導管８に、中圧ガバナ９が配置されている。エアモータ１は、回転速度を一定値に保つガバナを有している。ガバナは、回転速度に基づいてエアモータ１に流入するガス流量を調整し、回転速度が一定になるようにエアモータ１の回転速度を制御する。これにより、エアモータ１の回転速度が一定に制御される。
The prime mover including the
同期発電機２は、３相交流同期発電機２とされ、エアモータ１の出力軸と同期発電機２の駆動軸１０とが電磁式カップリングで連結され、エアモータ１の動作に連動して同期発電機２が動作する。同期発電機２の出力端子は３相の給電線を通じて整流器１１に接続され、整流器１１は平滑回路１２を介してパワーコンディショナ３に接続されている。パワーコンディショナ３は、商用電源に接続される。パワーコンディショナ３は、太陽光発電に用いられる汎用品であり、同期発電機２からの入力電圧が一定になるように入力電流を調整する。
The
都市ガスを減圧する過程において、中圧Ａ、ここでは０．７ＭＰａのガスがエアモータ１に流入すると、エアモータ１によりガスは減圧されて送出され、規定の中圧Ｂ、例えば０．１５ＭＰａのガスが供給される。減圧されたガス圧力が規定圧力Ｂになるようにするためには、エアモータ１を通過するガス流量をガス使用量に応じて制御する必要がある。
In the process of depressurizing the city gas, when a medium pressure A, here 0.7 MPa gas, flows into the
すなわち、本ガス供給システムでの流量・圧力を下記とすると、
１ エアモータ１を通過するガス流量をＱ１[kg/Sec]
２ 減圧後のガス流量（ガス使用量）をＱ２[kg/Sec]
３ Ｑ１とＱ２の流量差をΔＱ＝Ｑ１−Ｑ２
４ 減圧前のガス圧力をＰ１
５ 減圧後のガス圧力をＰ２
６ 減圧時の圧力差をＰ＝Ｐ１−Ｐ２
７ ΔＰはＰの変動量
減圧後のガス圧力Ｐ２の変化量ΔＰ２は次式となる。
ΔＰ２≒Ｋ１×ΔＱ×ΔＰ （１）
Ｋ１は比例定数
（１）式より安定した状態では、ΔＱ、ΔＰはゼロで運転しているが、ΔＱ、ΔＰが変化すると、外乱要因になり、Ｐ２が変化する。Ｑ１＝Ｑ２になるが、ガス使用量は通常、ガス使用者の都合で変化する。
That is, assuming that the flow rate and pressure in this gas supply system are as follows,
1 Q1 [kg / Sec] for the gas flow rate passing through the
2 Q2 [kg / Sec] for the gas flow rate (gas usage) after decompression
3 The flow rate difference between Q1 and Q2 is ΔQ = Q1-Q2
4 Gas pressure before decompression is P1
5 Gas pressure after decompression is P2
6 The pressure difference at the time of decompression is P = P1-P2
7 ΔP is the amount of change in P. The amount of change in gas pressure P2 after decompression ΔP2 is given by the following equation.
ΔP2≈K1 × ΔQ × ΔP (1)
In a state where K1 is more stable than the proportionality constant (1), ΔQ and ΔP are operated at zero, but when ΔQ and ΔP change, it becomes a disturbance factor and P2 changes. Q1 = Q2, but the amount of gas used usually changes at the convenience of the gas user.
（１）式より、減圧後のガス圧力Ｐ２を制御するには、ΔＱまたはΔＰを変えればよい。すなわち、エアモータ１を通過するガス流量Ｑ１を制御すればよい。そこで、制御装置４は、減圧後のガス圧力Ｐ２を規定圧力に維持するために、エアモータ１により駆動される同期発電機２の出力を制御し、エアモータ１を通過するガス流量Ｑ１を調整する。ここで、同期発電機２の出力は、パワーコンディショナ３を負荷とするとき、同期発電機２の界磁電流Ｉｆｅを調整することで行える。制御装置４は、減圧後のガス圧力Ｐ２を一定に制御するため、同期発電機２への出力指令信号Ｓｃにより同期発電機２の出力を調整し、エアモータ１を通過するガス流量Ｑ１を調整する。
From the equation (1), in order to control the gas pressure P2 after decompression, ΔQ or ΔP may be changed. That is, the gas flow rate Q1 passing through the
このような制御装置４は、減圧後のガスの圧力を一定にするために、検出されたガスの圧力に応じて同期発電機２に対する出力指令信号Ｓｃを決める出力指令演算回路１５と、出力指令信号Ｓｃに基づいて同期発電機２の出力を調整するための界磁電流Ｉｆｅを出力する自動電圧調整器１６とを有している。
Such a
メイン導管６に、減圧前のガス圧力を検出する圧力センサと、減圧後のガス圧力を検出する圧力センサと、減圧後のガス流量を検出する流量センサとが設けられる。出力指令演算回路１５は、各センサにより検出されたデータに基づいてガス流量Ｑ１を演算するとともに、検出されたガス圧力Ｐ２が圧力設定器１７により設定された規定圧力になるように、すなわち減圧時の圧力Ｐ２が圧力設定器１７の設定値に等しくなるように同期発電機２の出力を調整するための出力指令信号Ｓｃをガス圧力Ｐ２に基づいて生成する。出力指令信号Ｓｃは、同期発電機２の出力に対応する指令である。ここでは、パワーコンディショナ３の入力電圧が一定であるので、出力指令信号Ｓｃは、同期発電機２の出力電流に対する指令値を有する。
The main conduit 6 is provided with a pressure sensor that detects the gas pressure before decompression, a pressure sensor that detects the gas pressure after decompression, and a flow sensor that detects the gas flow rate after decompression. The output
同期発電機２の出力は界磁電流Ｉｆｅによって制御される。自動電圧調整器１６は、出力指令信号Ｓｃに基づいて生成した界磁電流Ｉｆｅを同期発電機２に供給して、同期発電機２の出力を調整する公知の機器である。自動電圧調整器１６は、同期発電機２の出力電流を検出する電流検出回路２０、同期発電機２の出力電圧を検出する電圧検出回路２１、同期発電機２の出力から制御装置４を動作させるための電源を生成する制御電源回路２２、界磁電流Ｉｆｅを励磁電源より生成する界磁電圧調整部２３を有する。
The output of the
減圧後のガス圧力が変動したとき、出力指令演算回路１５は、規定圧力と検出されたガス圧力とに基づいて出力指令信号Ｓｃを生成し、出力指令信号Ｓｃを自動電圧調整器１６に出力する。このとき、自動電圧調整器１６では、出力電圧に基づく電圧検出器２１からの電圧信号Ｓｇと電圧設定器２４により設定された基準電圧信号Ｓｖと出力指令信号Ｓｃとから誤差信号Ｓ３が生成される。誤差信号Ｓ３は、誤差増幅器２５により増幅され、界磁電圧調整部２３に入力される。界磁電圧調整部２３は、同期発電機２の出力から供給される励磁電源に基づいて誤差信号Ｓ３に応じた界磁電流Ｉｆｅを生成する。界磁電流Ｉｆｅが同期発電機２に供給される。
When the gas pressure after decompression fluctuates, the output
このように、制御装置４が界磁電流Ｉｆｅを制御することにより、同期発電機２の出力電流（負荷電流）Ｉｇが変化し、同期発電機２の出力が等価的に出力指令信号Ｓｃになるように調整される。ここで、同期発電機２の界磁電流Ｉｆｅを制御することによって同期発電機２の出力を調整できる原理を説明する。
In this way, when the
界磁電流Ｉｆｅを制御すると、同期発電機２の内部誘起電圧Ｖｅが変化する。
Ｖｅ≒Ｋ２×Ｎ×Ｉｆｅ （２）
Ｋ２：比例定数、Ｎ：同期発電機２の回転速度
同期発電機２の出力電圧Ｖｇは次式となる。
Ｖｇ≒Ｖｅ−Ｉｇ×Ｚｇ （３）
Ｉｇ：同期発電機２の負荷電流、Ｚｇ：同期発電機２の等価内部インピーダンス
パワーコンディショナ３の入力電流Ｉｄは次式となる。
Ｉｄ≒Ｋ３×Ｉｇ （４）
Ｋ３：比例定数（３相整流器の電流変換係数）
パワーコンディショナ３の入力電圧Ｖｄ１は次式となる。
Ｖｄ１≒Ｋ４×Ｖｇ （５）
Ｋ４：比例定数（３相整流器の電圧変換係数）
（２）、（３）、（５）式より、
Ｖｄ１≒Ｋ４×（Ｋ２×Ｎ×Ｉｆｅ−Ｉｇ×Ｚｇ） （６）
When the field current Ife is controlled, the internally induced voltage Ve of the
Ve ≒ K2 × N × If (2)
K2: Proportional constant, N: Rotational speed of
Vg ≒ Ve-Ig × Zg (3)
Ig: The load current of the
Id ≒ K3 × Ig (4)
K3: Proportional constant (current conversion coefficient of 3-phase rectifier)
The input voltage Vd1 of the
Vd1 ≒ K4 × Vg (5)
K4: Proportional constant (voltage conversion coefficient of 3-phase rectifier)
From equations (2), (3), and (5)
Vd1 ≒ K4 × (K2 × N × If-Ig × Zg) (6)
パワーコンディショナ３は、入力電圧Ｖｄ１を一定になるように制御する。そのため、（６）式の右辺は一定となり、（７）式が成立する。
Ｋ２×Ｎ×Ｉｆｅ−Ｉｇ×Ｚｇ＝一定 （７）
界磁電流Ｉｆｅが制御されると、同期発電機２の出力電流Ｉｇが変化せざるを得ない。すなわち、同期発電機２の出力が制御される。一方、（４）式よりパワーコンディショナ３の入力電流Ｉｄが変化し、パワーコンディショナ３の入力が変化する。パワーコンディショナ３の電力変換効率が一定とすると、パワーコンディショナ３の交流出力、すなわち商用電源への供給電力が変化する。
The
K2 x N x If-Ig x Zg = constant (7)
When the field current Ife is controlled, the output current Ig of the
そして、同期発電機２の出力が出力指令信号Ｓｃに等価な電力に制御されているとき、出力指令信号Ｓｃの変化により同期発電機２の出力電流Ｉｇが変化するので、同期発電機２のトルクが変化する。この変化に伴ってエアモータ１の負荷トルクが変化するので、エアモータ１の回転速度が変化しようとする。しかし、エアモータ１の回転速度は一定速度に制御されているので、エアモータ１に流入するガス流量Ｑ１が調整される。（１）式より、ガス圧力Ｐ２が変化する。これにより、減圧後のガス圧力Ｐ２が規定圧力になり、減圧後のガス圧力Ｐ２が一定に制御される。
Then, when the output of the
ところで、エアモータ１は種々の要因で回転速度が変動（ハンチング）する。例えば、
エアモータ１の定速度制御の安定性の問題、
軸系の慣性モーメントの問題、
電磁カップリングの使用により、ばね定数および軸系の慣性モーメントによっては固有振動数が低くなり、エアモータ１の定速度制御の安定性に影響を与える、
エアモータ１の入口までの導管が細いことにより、入口でのガス圧力が変動しやすくなり、エアモータ１の安定性が悪くなる、
といった要因がある。エアモータ１の回転が変動すると、回転速度がハンチングする。これに伴って、同期発電機２の出力がハンチングする。
By the way, the rotation speed of the
Problems with stability of constant speed control of
Moment of inertia problem of the shaft system,
Due to the use of the electromagnetic coupling, the natural frequency becomes low depending on the spring constant and the moment of inertia of the shaft system, which affects the stability of the constant speed control of the
Since the conduit to the inlet of the
There are factors such as. When the rotation of the
エアモータ１の回転速度にハンチングが発生したとき、図２に示すように、エアモータ１の回転速度に比例する同期発電機２の周波数Ｆとパワーコンディショナ３の入力電流Ｉｄとは同じ周期で変動している。なお、出力指令信号Ｓｃおよびパワーコンディショナ３の入力電圧Ｖｄ１は一定である。
When hunting occurs at the rotation speed of the
エアモータ１の回転速度のハンチングを解消するには、回転速度の変動の位相と同期発電機２の負荷の変動の位相が同じになるようにすればよい。同期発電機２の負荷は、エアモータ１の負荷トルクに対応するものであって、同期発電機２の負荷は、界磁電流Ｉｆｅを調整することにより制御できる。したがって、ハンチングが発生したときのハンチング防止方法として、同期発電機２の負荷がハンチングを抑制する位相、すなわち回転速度の変動の位相と同位相になるように、界磁電流Ｉｆｅを制御することにより、ハンチングを抑制することができる。
In order to eliminate the hunting of the rotational speed of the
そこで、エネルギ回収装置において、エアモータ１の負荷を変化させることによってハンチングを抑制して、エアモータ１の回転速度および同期発電機２の出力を安定させるハンチング防止装置５が設けられる。ハンチング防止装置５は、エアモータ１の回転速度のハンチングに応じて変動する同期発電機２の出力電圧の周波数の変動成分を抽出する抽出部３０と、この変動成分を移相する移相部３１とを備えている。そして、ハンチング防止装置５は、移相された変動成分に基づく信号の大きさをゲイン設定器３２により調整して、同期発電機２の出力の変動の位相が回転速度の変動の位相と同じになるようにするための抑制信号Ｓ１を制御装置４に出力する。
Therefore, in the energy recovery device, a
抽出部３０は、同期発電機２の出力電圧Ｖｇから得られた同期発電機周波数を直流電圧に変換する変換回路３３と、同期発電機周波数の変動成分ΔＶｇｆを抽出する微分回路３４とを有する。変換回路３３は、Ｆ／Ｖコンバータとされ、出力電圧Ｖｇから得られた同期発電機周波数信号を直流電圧Ｖｇｆに変換する。微分回路３４は、変換された直流電圧Ｖｇｆの直流分をカットして変動成分ΔＶｇｆを抽出する。移相部３１は、一般的な移相回路からなり、同期発電機２の出力電圧の周波数の変動成分ΔＶｇｆを３６０ｄｅｇ移相可能とする。なお、移相量は、同期発電機２による遅れおよび出力電圧Ｖｇに基づいて実機にて調整される、あるいは実験的に決められる。決められた移相量が移相部３１に入力されると、抑制信号Ｓ１が生成される。
The
ハンチング防止装置５が回転速度の変動成分を抽出し、この変動成分を移相して生成した抑制信号Ｓ１を制御装置４の自動電圧調整器１６に出力すると、自動電圧調整器１６は、減圧後のガス圧力Ｐ２に基づいて決められた出力指令信号Ｓｃを抑制信号Ｓ１に基づいて修正する。すなわち、自動電圧調整器１６が抑制信号Ｓ１を出力指令信号Ｓｃに重畳して、出力指令信号Ｓｃが修正され、電流指令信号Ｓ２が生成される。自動電圧調整器１６は、電流指令信号Ｓ２、出力電圧Ｓｇおよび設定電圧Ｓｖに基づいて界磁電流Ｉｆｅを生成して、同期発電機２に界磁電流Ｉｆｅを供給する。同期発電機２の出力電流Ｉｇが変化するのに伴って、エアモータ１の回転速度の変動が小さくなって、ハンチングが収束する。
When the
ここで、エアモータ１の回転速度がハンチングしているときの変動の基本波の変化分のベクトル図を図３に示す。
ベクトルΔＮは、回転速度Ｎの変動成分である。これを基本ベクトルとする。
ΔＮ＝Ｋ５×ｓｉｎωｔ （８）
Ｋ５：比例定数、ω：Ｎの変動成分の角速度
ベクトルΔＶｇｆは、同期発電機周波数の変動成分、すなわち変換回路３３の出力信号Ｖｇｆの変動成分である。ベクトルΔＶｇｆは、変換回路３３による遅れにより、ベクトルΔＮに対して位相差φ２だけ遅れる。
ベクトルΔＩｄは、パワーコンディショナ３の入力電流Ｉｄの変動成分である。ベクトルΔＩｄは、同期発電機２および自動電圧調整器１６の動作遅れ等の影響でベクトルΔＮに対して位相角φ１だけ遅れる。
Here, FIG. 3 shows a vector diagram of changes in the fundamental wave of fluctuations when the rotation speed of the
The vector ΔN is a variable component of the rotation speed N. Let this be the basic vector.
ΔN = K5 × sinωt (8)
The angular velocity vector ΔVgf of the fluctuation component of K5: proportional constant and ω: N is the fluctuation component of the synchronous generator frequency, that is, the fluctuation component of the output signal Vgf of the
The vector ΔId is a variable component of the input current Id of the
図４に示すように、入力電流Ｉｄの変動成分ΔＩｄと回転速度Ｎの変動成分ΔＮの位相が同じとき、ΔＩｄとΔＮは同位相で変化する。同相であることにより、エアモータ１の回転速度Ｎが増加すると、入力電流Ｉｄも増加する。入力電流Ｉｄの増加に応じて同期発電機２の出力電流Ｉｇが増加し、同期発電機２のトルクが増加する。エアモータ１の回転速度Ｎが上昇しようとしたとき、同期発電機２のトルクの増加に伴ってエアモータ１の負荷が増加するので、エアモータ１の回転速度の上昇が抑制される。したがって、エアモータ１の回転速度Ｎが変動するとき、回転速度Ｎの変動の位相と同期発電機２の負荷の変動の位相が同位相になるようにすることにより、エアモータ１の回転速度Ｎのハンチングを抑制することができる。
As shown in FIG. 4, when the fluctuation component ΔId of the input current Id and the fluctuation component ΔN of the rotation speed N are in phase, ΔId and ΔN change in the same phase. Due to the in-phase, as the rotation speed N of the
なお、エネルギ回収装置では、同期発電機２の負荷にパワーコンディショナ３が設けられている。このパワーコンディショナ３は、入力電流Ｉｄを調整することにより入力電圧Ｖｄを一定にする。すなわち、同期発電機２の負荷としては非線形負荷になる。非線形負荷と線形負荷を比べたとき、非線形負荷の場合、上記の抑制効果が大きくなる。したがって、パワーコンディショナ３が入力電圧Ｖｄを一定に制御することにより、ハンチング抑制の効果を高めている。
In the energy recovery device, the
上記のように、エアモータ１の回転速度Ｎのハンチングを抑制するには、回転速度の変動の位相とパワーコンディショナ３の入力電流Ｉｄの変動の位相を同位相にすればよい。しかし、同期発電機２の動作の遅れ等により、入力電流Ｉｄの変動成分ΔＩｄと回転速度Ｎの変動成分ΔＮとは同位相にはならない。ハンチングを抑制するには、入力電流Ｉｄの変動成分ΔＩｄの位相と回転速度Ｎの変動成分ΔＮの位相を同位相に近づけるようにすればよい。
As described above, in order to suppress the hunting of the rotation speed N of the
エアモータ１の回転速度がハンチングし出すと、ハンチング防止装置５は、入力電流Ｉｄの変動成分ΔＩｄの位相と回転速度Ｎの変動成分ΔＮの位相を同位相に近づけるようにするための抑制信号Ｓ１を自動電圧調整器１６に出力する。制御装置４は、出力指令信号Ｓｃと電流検出信号Ｖｉｄから同期発電機２の電流指令信号Ｓ２を生成し、この信号に抑制信号Ｓ１を重畳して、電流指令信号Ｓ２を修正する。電流指令信号Ｓ２と同期発電機２の出力電圧Ｖｇ（検出電圧Ｓｇ）および設定電圧Ｓｖに基づいて誤差信号Ｓ３が生成される。増幅された誤差信号Ｓ３が界磁電圧調整部２３に入力されると、界磁電圧調整部２３は、誤差信号Ｓ３に応じて調整した界磁電流Ｉｆｅを同期発電機２に供給する。
When the rotation speed of the
図５に示す抑制信号Ｓ１を加えたときの変化分のベクトル図において、
ベクトルΔＩｆｅは、界磁電流Ｉｆｅの変動成分である。電流指令信号Ｓ２が変動することにより、ベクトルΔＩｆｅも変動する。
ベクトルΔＶｉｄは、同期発電機２の出力電流Ｉｇから得られた電流信号の変動成分であり、電流指令信号Ｓ２の変動要因の一成分である。
ベクトルΔＳ１は、抑制信号Ｓ１の変動成分である。なお、この図中のベクトルΔＳ１は移相したものではない。
ベクトルΔＳ２は、ベクトルΔＶｉｄとベクトルΔＳ１とのベクトル和であり、電流指令信号Ｓ２の変動成分である。
ベクトルΔＩｄｎは、エアモータ１の回転速度が変動することによるパワーコンディショナ３の入力電流Ｉｄの変動成分である。ベクトルΔＩｄｎはベクトルΔＮと同位相であるので、回転速度Ｎが変動すると、同期発電機２の内部誘起電圧Ｖｅが変化し、同期発電機２の出力電流Ｉｇが変動することにより、パワーコンディショナ３の入力電流Ｉｄも変動する。
ベクトルΔＩｄｅは、電流指令信号Ｓ２の変動成分によるパワーコンディショナ３の入力電流Ｉｄの変動成分である。
ベクトルΔＩｄは、ベクトルΔＩｄｎとベクトルΔＩｄｅとのベクトル和である。
φ１は、ベクトルΔＮとベクトルΔＩｄの位相差
φ２は、ベクトルΔＮとベクトルΔＶｇｆの位相差（検出器による遅れ）
φ３は、ベクトルΔＳ２とベクトルΔＩｆｅの位相差（自動電圧調整器１６による遅れ）
φ４は、ベクトルΔＳ２とベクトルΔＩｄｅの位相差（同期発電機２による遅れ）
である。
In the vector diagram of the change when the suppression signal S1 shown in FIG. 5 is added,
The vector ΔIfe is a variable component of the field current Ife. As the current command signal S2 fluctuates, the vector ΔIf also fluctuates.
The vector ΔVid is a fluctuation component of the current signal obtained from the output current Ig of the
The vector ΔS1 is a variable component of the suppression signal S1. The vector ΔS1 in this figure is not phase-shifted.
The vector ΔS2 is the sum of the vectors of the vector ΔVid and the vector ΔS1, and is a variable component of the current command signal S2.
The vector ΔIdn is a fluctuation component of the input current Id of the
The vector ΔId is a fluctuation component of the input current Id of the
The vector ΔId is the sum of the vectors of the vector ΔIdn and the vector ΔId.
φ1 is the phase difference between the vector ΔN and the vector ΔId φ2 is the phase difference between the vector ΔN and the vector ΔVgf (delay due to the detector)
φ3 is the phase difference between the vector ΔS2 and the vector ΔIfe (delay due to the automatic voltage regulator 16).
φ4 is the phase difference between the vector ΔS2 and the vector ΔIde (delay due to the synchronous generator 2).
Is.
ベクトルΔＳ１の大きさを設定し、位相をずらすことにより、ベクトルΔＶｉｄとベクトルΔＳ１とのベクトル和であるベクトルΔＳ２の位相角および大きさを調整できる。ベクトルΔＳ２が変わると、ベクトルΔＩｄｅが変わり、ベクトルΔＩｄｎとベクトルΔＩｄｅとのベクトル和であるベクトルΔＩｄの位相および大きさを調整できる。すなわち、ハンチング防止装置５からの抑制信号Ｓ１により、パワーコンディショナ３の入力電流Ｉｄの位相が調整され、入力電流Ｉｄの変動の基本波ΔＩｄの位相を回転速度Ｎの変動の基本波ΔＮの位相に近づけることができる。図６に示すように、抑制信号Ｓ１により、同期発電機周波数の変動、すなわちエアモータ１の回転速度Ｎの変動が収束し、パワーコンディショナ３の入力電流Ｉｄが安定して、エアモータ１の安定運転を行える。
By setting the magnitude of the vector ΔS1 and shifting the phase, the phase angle and magnitude of the vector ΔS2, which is the sum of the vectors of the vector ΔVid and the vector ΔS1, can be adjusted. When the vector ΔS2 changes, the vector ΔId changes, and the phase and magnitude of the vector ΔId, which is the sum of the vectors of the vector ΔIdn and the vector ΔId, can be adjusted. That is, the phase of the input current Id of the
なお、ハンチング防止装置５は、常時出力電圧を監視する。そして、所定値以上の出力電圧の変動が所定時間連続して発生したとき、ハンチング防止装置５は、ハンチングの発生と判断して、抑制信号Ｓ１を制御装置４に出力する。抑制信号Ｓ１は、同期発電機２の出力電圧Ｖｇの変動成分に応じた移相量に基づいて生成される。ここで、同期発電機２による遅れおよび出力電圧Ｖｇに基づいて実験的に決められた移相量をメモリに記憶しておいてもよい。移相部３１は、同期発電機２の出力電圧Ｖｇの変動成分に基づいてメモリから移相量を自動的に選び出し、抑制信号Ｓ１を生成する。回転速度Ｎにハンチングが発生していないとき、抑制信号Ｓ１は出力されない。
The
また、自動電圧調整器１６とハンチング防止装置５との間にスイッチを設けてもよい。スイッチがオンすると、自動電圧調整器１６とハンチング防止装置５とが接続され、ハンチング防止装置５から抑制信号Ｓ１が自動電圧調整器１６に入力される。ハンチングの発生が検出されたときに、スイッチがオンされる。
Further, a switch may be provided between the
また、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で上記実施形態に多くの修正および変更を加え得ることは勿論である。圧縮気体は、都市ガスに限らずＬＰガス、炭酸ガス、窒素ガス、空気でもよい。同期発電機２は、単相同期発電機２であってもよい。また、原動機はタービンであってもよい。上記実施形態では、励磁電源は自励式であるが、他励式であってもよい。
Further, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that many modifications and modifications can be made to the above-described embodiment within the scope of the present invention. The compressed gas is not limited to city gas, but may be LP gas, carbon dioxide gas, nitrogen gas, or air. The
１ エアモータ
２ 同期発電機
３ パワーコンディショナ
４ 制御装置
５ ハンチング防止装置
１５ 出力指令演算回路
１６ 自動電圧調整器
３０ 抽出部
３１ 移相部
３２ ゲイン設定器
３３ Ｆ／Ｖコンバータ
３４ 微分回路
1
Claims (5)
前記エアモータの回転速度にハンチングが発生して、前記パワーコンディショナの入力電流が変動したとき、前記パワーコンディショナの入力電流の変動成分の位相と前記エアモータの回転速度の変動成分の位相を同位相に近づけるようにするための抑制信号を前記制御装置に出力するハンチング防止装置が設けられ、
前記ハンチング防止装置は、前記エアモータの回転速度のハンチングに応じて変動する前記同期発電機の出力電圧の周波数の変動成分を抽出する抽出部と、この変動成分を前記同期発電機の動作の遅れおよび前記同期発電機の出力電圧に基づいて決められた移相量だけ移相する移相部とを備え、移相された変動成分に基づく信号を抑制信号として出力し、前記制御装置は、前記出力指令信号を前記抑制信号に基づいて修正することを特徴とするエネルギ回収装置。 The energy recovery apparatus used with a medium pressure gas in the gas supply system by vacuum, is rotationally driven by the gas in the course of the medium-pressure gas is reduced, the air motor rotational speed is controlled to be constant, A synchronous generator that operates in conjunction with the operation of the air motor and outputs electrical energy , a power conditioner that has a function of constantly controlling the input voltage input from the synchronous generator, and the pressure of the gas after decompression. In order to control the output of the air motor so that is constant, a field current is generated based on an output command signal determined according to the gas pressure after decompression, and the field current is supplied to the synchronous generator. to, and a control unit for adjusting the output of the synchronous generator,
When hunting occurs at the rotation speed of the air motor and the input current of the power conditioner fluctuates, the phase of the fluctuation component of the input current of the power conditioner and the phase of the fluctuation component of the rotation speed of the air motor are in phase with each other. A hunting prevention device is provided to output a suppression signal to the control device so as to bring it closer to.
The hunting prevention device includes an extraction unit that extracts a fluctuation component of the frequency of the output voltage of the synchronous generator that fluctuates according to the hunting of the rotation speed of the air motor, and the fluctuation component is used as a delay in the operation of the synchronous generator. and a phase shifter which shifts the phase phase shift amount which is determined based on the output voltage of the synchronous generator, and outputs a signal based on the phase-shifted variation component as a suppression signal, the control device, the output An energy recovery device characterized in that a force command signal is modified based on the suppression signal.
前記エアモータの回転速度にハンチングが発生して、前記パワーコンディショナの入力電流が変動したとき、前記パワーコンディショナの入力電流の変動成分の位相と前記エアモータの入力電流の変動成分の位相と回転速度の変動成分の位相を同位相に近づけるようにするための抑制信号を前記制御装置に出力するハンチング防止装置が設けられたエネルギ回収装置において、
前記エアモータの回転速度にハンチングが発生したとき、前記ハンチング防止装置により前記エアモータの回転速度のハンチングに応じて変動する前記同期発電機の出力電圧の周波数の変動成分を抽出して、この変動成分を前記同期発電機の動作の遅れおよび前記同期発電機の出力電圧に基づいて決められた移相量だけ移相し、移相された変動成分に基づく信号を前記抑制信号として前記制御装置に出力し、前記制御装置により前記抑制信号に基づいて前記出力指令信号を修正し、修正された前記出力指令信号に基づいて界磁電流を生成して前記同期発電機に供給し、前記同期発電機の出力を調整して、前記エアモータの回転速度の変動を小さくすることを特徴とするエネルギ回収装置でのハンチング防止方法。 The energy recovery apparatus used with a medium pressure gas in the gas supply system by vacuum, is rotationally driven by the gas in the course of the medium-pressure gas is reduced, the air motor rotational speed is controlled to be constant, A synchronous generator that operates in conjunction with the operation of the air motor and outputs electrical energy , a power conditioner that has a function of constantly controlling the input voltage input from the synchronous generator, and the pressure of the gas after decompression. In order to control the output of the air motor so that is constant, a field current is generated based on an output command signal determined according to the gas pressure after decompression, and the field current is supplied to the synchronous generator. to, and a control unit for adjusting the output of the synchronous generator,
When hunting occurs in the rotation speed of the air motor and the input current of the power conditioner fluctuates, the phase of the fluctuation component of the input current of the power conditioner and the phase and rotation speed of the fluctuation component of the input current of the air motor. In an energy recovery device provided with a hunting prevention device that outputs a suppression signal to the control device to bring the phases of the variable components of the above to the same phase.
When hunting on the rotational speed of the air motor is generated, and extracts a variation component of the frequency of the output voltage of the synchronous generator that varies in accordance with the hunting of the rotational speed of the air motor by the hunting prevention device, the fluctuation component The phase shift is performed by the phase shift amount determined based on the delay in the operation of the synchronous generator and the output voltage of the synchronous generator, and the signal based on the phase-shifted variable component is output to the control device as the suppression signal. The control device modifies the output command signal based on the suppression signal, generates a field current based on the modified output command signal, supplies the field current to the synchronous generator, and outputs the synchronous generator. A method for preventing hunting in an energy recovery device, which comprises adjusting the above to reduce fluctuations in the rotation speed of the air motor.
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