特開 2023-133921 発電システム、制御装置及びプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023133921

(43)【公開日】2023-09-27

(54)【発明の名称】発電システム、制御装置及びプログラム

(51)【国際特許分類】

   H02P 9/04 20060101AFI20230920BHJP

   H02J 3/38 20060101ALI20230920BHJP

【ＦＩ】

H02P9/04 Z

H02J3/38 110

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022039178

(22)【出願日】2022-03-14

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】高島 靖彦

(72)【発明者】

【氏名】柏木 克巳

(72)【発明者】

【氏名】日置 一太郎

【テーマコード（参考）】

5G066

5H590

【Ｆターム（参考）】

5G066HB01

5H590CA07

5H590CA28

5H590CE02

5H590DD64

5H590EA15

5H590FC25

5H590GA02

5H590HA02

5H590JA02

5H590JB06

5H590KK01

5H590KK04

5H590KK06

(57)【要約】

【課題】複数の発電設備の特性が互いに異なる場合であっても同期制御を効率的に実行可能にする。
【解決手段】実施形態の発電システムは、複数の発電設備と遮断器と制御装置とを備える。制御装置は、設定部と原動機制御部と発電機制御部と同期判定部と遮断器制御部とを備える。設定部は、発電設備毎に発電設備の制御に関する設定値を設定する。原動機制御部は、設定値に基づいて原動機を制御するための原動機制御信号を各原動機に出力する。発電機制御部は、設定値に基づいて発電機を制御するための発電機制御信号を各発電機に出力する。同期判定部は、主電源の出力電圧と発電設備の出力電圧とが同期しているか否かを判定する。遮断器制御部は、同期判定部の判定結果に基づいて遮断器を制御する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

それぞれが原動機と前記原動機の動力により発電する発電機とを備える複数の発電設備と、
主電源と負荷との接続状態、及び複数の前記発電設備の少なくとも一つと前記負荷との接続状態を切り替える遮断器と、
前記発電設備及び前記遮断器を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記発電設備毎に前記発電設備の制御に関する設定値を設定する設定部と、
前記設定値に基づいて前記原動機を制御するための原動機制御信号を各前記原動機に出力する原動機制御部と、
前記設定値に基づいて前記発電機を制御するための発電機制御信号を各前記発電機に出力する発電機制御部と、
前記主電源の出力電圧と前記発電設備の出力電圧とが同期しているか否かを判定する同期判定部と、
前記同期判定部の判定結果に基づいて前記遮断器を制御する遮断器制御部と、
を備える、
発電システム。

【請求項2】

前記設定値は、前記原動機制御信号の出力周期を前記原動機毎に定めた原動機設定値と、前記発電機制御信号の出力周期を前記発電機毎に定めた発電機設定値とを含み、
前記原動機制御部は、前記原動機設定値に基づいて前記原動機制御信号を各前記原動機対して各前記原動機に対応する出力周期で出力し、
前記発電機制御部は、前記発電機設定値に基づいて前記発電機制御信号を各前記発電機に対して各前記発電機に対応する出力周期で出力する、
請求項１に記載の発電システム。

【請求項3】

前記主電源の出力電圧と前記発電設備の出力電圧とを同期させる同期制御の開始後、同期しない状態が所定時間以上継続した場合に、警報を出力するための処理を行う警報出力部、
を更に備える請求項１又は２に記載の発電システム。

【請求項4】

それぞれが原動機と前記原動機の動力により発電する発電機とを備える複数の発電設備と、主電源と負荷との接続状態、及び複数の前記発電設備の少なくとも一つと前記負荷との接続状態を切り替える遮断器とを制御する制御装置であって、
前記発電設備毎に前記発電設備の制御に関する設定値を設定する設定部と、
前記設定値に基づいて前記原動機を制御するための原動機制御信号を各前記原動機に出力する原動機制御部と、
前記設定値に基づいて前記発電機を制御するための発電機制御信号を各前記発電機に出力する発電機制御部と、
前記主電源の出力電圧と前記発電設備の出力電圧とが同期しているか否かを判定する同期判定部と、
前記同期判定部の判定結果に基づいて前記遮断器を制御する遮断器制御部と、
を備える制御装置。

【請求項5】

それぞれが原動機と前記原動機の動力により発電する発電機とを備える複数の発電設備と、主電源と負荷との接続状態、及び複数の前記発電設備の少なくとも一つと前記負荷との接続状態を切り替える遮断器とを制御するコンピュータに、
前記発電設備毎に前記発電設備の制御に関する設定値を設定する処理と、
前記設定値に基づいて前記原動機を制御するための原動機制御信号を各前記原動機に出力する処理と、
前記設定値に基づいて前記発電機を制御するための発電機制御信号を各前記発電機に出力する処理と、
前記主電源の出力電圧と前記発電設備の出力電圧とが同期しているか否かを判定する処理と、
前記主電源の出力電圧と前記発電設備の出力電圧とが同期しているか否かの判定結果に基づいて前記遮断器を制御する処理と、
実行させるプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、発電システム、制御装置及びプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

病院等の施設において複数の非常用発電設備が備えられる場合がある。このような非常用発電設備の出力電力を商用電源等の主電源の出力電力と共同して所定の負荷（例えば医療機器等）に供給しようとする場合、非常用発電設備の出力電圧と主電源の出力電圧とを同期させる同期処理が必要となる。このとき、複数の非常用発電設備の特性が互いに異なっている場合、全ての非常用発電設備に対して同様の制御を実施すると、同期処理を効率的に行えない場合がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－１８０９５号公報

【特許文献2】特開２０２０－４３６４７号公報

【特許文献3】特開２０１０－９３８８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の実施形態が解決しようとする課題は、複数の発電設備の特性が互いに異なる場合であっても同期制御を効率的に実行可能な発電システム、制御装置及びプログラムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

実施形態の発電システムは、複数の発電設備と、遮断器と、制御装置とを備える。複数の発電設備のそれぞれは、原動機と、原動機の動力により発電する発電機とを備える。遮断器は、主電源と負荷との接続状態、及び複数の発電設備の少なくとも一つと負荷との接続状態を切り替える。制御装置は、発電設備及び遮断器を制御する。制御装置は、設定部と、原動機制御部と、発電機制御部と、同期判定部と、遮断器制御部とを備える。設定部は、発電設備毎に発電設備の制御に関する設定値を設定する。原動機制御部は、設定値に基づいて原動機を制御するための原動機制御信号を各原動機に出力する。発電機制御部は、設定値に基づいて発電機を制御するための発電機制御信号を各発電機に出力する。同期判定部は、主電源の出力電圧と発電設備の出力電圧とが同期しているか否かを判定する。遮断器制御部は、同期判定部の判定結果に基づいて遮断器を制御する。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】図１は、実施形態の発電システムの構成の一例を示す図である。

【図2】図２は、実施形態の制御装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。

【図3】図３は、実施形態の制御装置の機能構成の一例を示すブロック図である。

【図4】図４は、実施形態の設定値のデータ構造の一例を示す図である。

【図5】図５は、実施形態の制御装置による処理の一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、図面を参照しながら実施形態について説明する。

【0008】

図１は、実施形態の発電システム１の構成の一例を示す図である。発電システム１は、病院等の施設において所定の負荷（例えば医療機器、照明、空調装置等）に電力を供給するシステムであり、商用電源（主電源の一例）の停電、出力低下等の非常時においても負荷への電力供給を可能にする機能を有する。

【0009】

本実施形態の発電システム１は、複数の発電設備１１Ａ～１１Ｆ、第１遮断器３１、第２遮断器４１及び制御装置５１を備える。

【0010】

複数の発電設備１１Ａ～１１Ｆのそれぞれは、原動機２１Ａ～２１Ｆ及び発電機２２Ａ～２２Ｆを備える。原動機２１Ａ～２１Ｆは、動力を発生させる機構であり、例えばエンジン、燃料供給制御装置等を利用して構成され得る。発電機２２Ａ～２２Ｆは、原動機２１Ａ～２１Ｆの動力により発電する機構であり、例えばオルタネータ、ＡＶＲ（Automatic Voltage Regulator）等を利用して構成され得る。

【0011】

本実施形態では、６つの発電設備１１Ａ～１１Ｆが備えられている。第１発電設備１１Ａは、第１原動機２１Ａ及び第１発電機２２Ａを備える。第２発電設備１１Ｂは、第２原動機２１Ｂ及び第２発電機２２Ｂを備える。第３発電設備１１Ｃは、第３原動機２１Ｃ及び第３発電機２２Ｃを備える。第４発電設備１１Ｄは、第４原動機２１Ｄ及び第４発電機２２Ｄを備える。第５発電設備１１Ｅは、第５原動機２１Ｅ及び第５発電機２２Ｅを備える。第６発電設備１１Ｆは、第６原動機２１Ｆ及び第６発電機２２Ｆを備える。なお、発電設備の数は上記に限定されるものではない。

【0012】

第１～第６原動機２１Ａ～２１Ｆのうちの少なくとも一つの原動機（例えば第１原動機２１Ａ）の特性は、他の原動機（例えば第２原動機２１Ｂ）の特性と異なっている。また、第１～第６発電部２２Ａ～２２Ｆのうちの少なくとも一つの発電機（例えば第１発電機２２Ａ）の特性は、他の発電機（例えば第２発電機２２Ｂ）の特性と異なっている。特性とは、例えば、機種、仕様等に基づく応答性等であり得る。応答性とは、例えば、原動機２１Ａ～２１Ｆの周波数（回転速度）や発電機２２Ａ～２２Ｆの出力電圧値が、目標値を示す制御信号の受信時から当該目標値に達するまでの経過時間等に基づく指標である。この場合、当該経過時間が短いほど応答性が高いと言える。

【0013】

また、本実施形態においては、第１、第２、第３及び第５発電設備１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｅは、通常時（商用電源稼働時）及び非常時の両方で使用される兼用の発電設備であり、第４及び第６発電設備１１Ｄ，１１Ｆは、非常時のみに使用される非常用の発電設備である。兼用の発電設備１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｅは、通常時であっても所定条件下（例えば発電コストの削減や出力増強等が必要な状況下）で駆動し、商用電源と共同で負荷に電力を供給する。

【0014】

第１遮断器３１は、商用電源と接続する母線５５と６本の配電線５６Ａ～５６Ｆとの接続状態（ＯＮ／ＯＦＦ）を切り替える。６本の配電線５６Ａ～５６Ｆは、それぞれ第１～第６発電機２２Ａ～２２Ｆと負荷とを接続している。第２遮断器４１は、６本の配電線５６Ａ～５６Ｆのそれぞれと負荷との接続状態を切り替える。第１遮断器３１は、母線５５と６本の配電線５６Ａ～５６Ｆのそれぞれとの接続状態を切り替え可能な６つの同期点３１Ａ～３１Ｆを有している。これらの同期点３１Ａ～３１Ｆを個別に制御することにより、母線５５と６本の配電線５６Ａ～５６Ｆのそれぞれとの接続状態を個別に切り替えることができる。第２遮断器４１は、６本の配電線５６Ａ～５６Ｆのそれぞれと負荷との接続状態を切り替え可能な６つの同期点４１Ａ～４１Ｆを有している。これらの同期点４１Ａ～４１Ｆを個別に制御することにより、６本の配電線５６Ａ～５６Ｆのそれぞれと負荷との接続状態を個別に切り替えることができる。

【0015】

制御装置５１は、発電設備１１Ａ～１１Ｆ、第１遮断器３１及び第２遮断器４１を制御する。制御装置５１は、商用電源の停電時等の非常時において、発電設備１１Ａ～１１Ｆのうちの少なくとも一つにより負荷に電力供給されるように発電設備１１Ａ～１１Ｆ、第１遮断器３１及び第２遮断器４１を制御する。また、制御装置５１は、商用電源と兼用の発電設備１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｅのうちの少なくとも一つとが共同で負荷に電力供給する場合に、兼用の発電設備１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｅの出力電圧を商用電源の出力電圧（母線電圧）に同期させる同期制御を行う。

【0016】

図２は、実施形態の制御装置５１のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。ここで例示する制御装置５１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６１、ＲＡＭ（Random Access Memory）６２、ＲＯＭ（Read Only Memory）６３、ストレージ６４、通信Ｉ／Ｆ（Interface）６５及びユーザＩ／Ｆ６６を備える。

【0017】

ＣＰＵ６１は、ＲＯＭ６３やストレージ６４に記憶されたプログラムに従いＲＡＭ６２をワーキングエリアとして所定の演算処理や制御処理を行う。ストレージ６４は、ＳＳＤ（Solid State Drive）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の不揮発性メモリであり、ＣＰＵ６１による処理を行うために必要なプログラム、データ等を記憶する。通信Ｉ／Ｆ６５は、適宜なコンピュータネットワークを介して外部装置（発電設備１１Ａ～１１Ｆ、第１遮断器３１、第２遮断器４１等）との間で信号の送受を可能にするデバイスである。ユーザＩ／Ｆ６６は、制御装置５１とユーザ（発電システム１の管理者等）との間で情報の送受を可能にするデバイスであり、例えばキーボード、マウス、タッチパネル機構、マイク、ディスプレイ、スピーカ等である。ＣＰＵ６１、ＲＡＭ６２、ＲＯＭ６３、ストレージ６４、通信Ｉ／Ｆ６５及びユーザＩ／Ｆ６６は、バスを介して互いに通信可能に接続されている。なお、制御装置５１のハードウェア構成は上記に限定されるものではない。

【0018】

図３は、実施形態の制御装置５１の機能構成の一例を示すブロック図である。本実施形態の制御装置５１は、設定部１０１、原動機制御部１０２、発電機制御部１０３、同期判定部１０４、遮断器制御部１０５及び警報出力部１０６を備える。これらの機能的構成要素１０１～１０６は、例えば、図２に示すハードウェア構成及びプログラムの協働により実現される。なお、これらの機能的要素１０１～１０６は、物理的に分割された複数のハードウェアにより構成されてもよい。

【0019】

設定部１０１は、発電設備１１Ａ～１１Ｆ毎に発電設備１１Ａ～１１Ｆの制御に関する設定値１１１を設定する。設定値１１１は、各発電設備１１Ａ～１１Ｆの原動機２１Ａ～２１Ｆ又は発電機２２Ａ～２２Ｆの特性に基づく情報であり、発電設備１１Ａ～１１Ｆの出力電圧と商用電源の出力電圧とを同期させる同期制御の効率を向上させるように作用する。設定値１１１の設定は適宜な手法を用いて実行され得るが、例えば、ユーザが制御装置５１のユーザＩ／Ｆ６６を操作して入力すること等により実現され得る。

【0020】

図４は、実施形態の設定値１１１のデータ構造の一例を示す図である。図４に示されるように、設定値１１１は、発電設備１１Ａ～１１Ｆ毎に定められた、周波数指令出力周期及び電圧値指令出力周期を含む。

【0021】

周波数指令出力周期は、各原動機２１Ａ～２１Ｆに対して目標周波数を伝達する原動機制御信号である周波数指令を出力する周期（パルス幅）を示す値である。周波数指令出力周期は、各原動機２１Ａ～２１Ｆの応答性が高いほど長くなるように設定される。すなわち、原動機２１Ａ～２１Ｆの応答性が低いほど周波数指令が頻繁に出力されるように設定される。図４に示される例では、第１原動機２１Ａの応答性が第２原動機２１Ｂより低いため、第１発電設備１１Ａの周波数指令出力周期（１Ｓ）が第２発電設備１１Ｂの周波数指令出力周期（３Ｓ）より短く設定されている。

【0022】

電圧値指令出力周期は、各発電機２２Ａ～２２Ｆに対して目標電圧値（振幅）を伝達する発電機制御信号である電圧値指令を出力する周期を示す値である。電圧値指令出力周期は、周波数指令周期と同様に、各発電機２２Ａ～２２Ｆの応答性が高いほど長くなるように設定される。すなわち、発電機２２Ａ～２２Ｆの応答性が低いほど電圧値指令が頻繁に出力されるように設定される。

【0023】

図３に戻り、原動機制御部１０２は、設定値１１１に基づいて原動機２１Ａ～２１Ｆを制御するための原動機制御信号を各原動機２１Ａ～２１Ｆに出力する。原動機制御部１０２は、各原動機２１Ａ～２１ＦからのＦＢ（フィードバック）信号（例えば現在の周波数と目標周波数との差分等）に基づいて原動機制御信号を原動機２１Ａ～２１Ｆ毎に生成する。設定値１１１が上記のような周波数指令出力周期を含む場合、原動機制御部１０２は、原動機制御信号としての周波数指令を制御対象となる発電設備１１Ａ～１１Ｆに対応する出力周期で出力する。

【0024】

発電機制御部１０３は、設定値１１１に基づいて発電機２２Ａ～２２Ｆを制御するための発電機制御信号を各発電機２２Ａ～２２Ｆに出力する。発電機制御部１０３は、各発電機２２Ａ～２２ＦからのＦＢ信号（例えば現在の出力電圧値と目標電圧値との差分等）に基づいて発電機制御信号を発電機２２Ａ～２２Ｆ毎に生成する。設定値１１１が上記のような電圧値指令出力周期を含む場合、発電機制御部１０３は、発電機制御信号としての電圧値指令を制御対象となる発電設備１１Ａ～１１Ｆに対応する出力周期で出力する。

【0025】

同期判定部１０４は、商用電源の出力電圧（母線電圧）と発電設備１１Ａ～１１Ｆの出力電圧とが同期しているか否かを判定する。同期の判定は適宜な手法を用いて実行され得るが、例えば、同期制御の対象となる発電設備（兼用の発電設備１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｅのうちの少なくとも一つ）の出力電圧の電圧値及び位相と、母線電圧の電圧値及び位相とが所定の誤差範囲内になったときに同期が完了したと判定される。

【0026】

遮断器制御部１０５は、同期判定部１０４の判定結果に基づいて第１遮断器３１及び第２遮断器４１を制御する。具体的には、同期対象の発電設備１１Ａ～１１Ｆの出力電圧と母線電圧とが同期したと判定された場合には、当該発電設備１１Ａ～１１Ｆの出力電圧と母線電圧とが負荷に供給されるように第１遮断器３１及び第２遮断器４１を制御する。例えば、第１発電設備１１Ａが同期対象である場合には、同期完了後に同期点３１Ａ，４１ＡがＯＮとなり、他の同期点３１Ｂ～３１Ｆ，４１Ｂ～４１ＦがＯＦＦとなる。一方、同期対象の発電設備１１Ａ～１１Ｆの出力電圧と母線電圧とが同期していないと判定された場合には、当該発電設備１１Ａ～１１Ｆの出力電圧と母線電圧とが負荷に供給されないように第１遮断器３１及び第２遮断器４１を制御する。

【0027】

警報出力部１０６は、商用電源の出力電圧と発電設備１１Ａ～１１Ｆの出力電圧とを同期させる同期制御の開始後、同期しない状態が所定時間以上継続した場合に、警報を出力するための処理を行う。

【0028】

図５は、実施形態の制御装置５１による処理の一例を示すフローチャートである。ここでは、第１発電設備１１Ａの出力電圧と商用電源の出力電圧（母線電圧）とを同期させる同期制御について説明する。

【0029】

同期制御が開始されると、原動機制御部１０２は、母線電圧の周波数Ｆｂ（図１参照）と第１発電設備１１Ａの出力電圧の周波数Ｆ１（図１参照）との比較結果に基づいて目標周波数を算出する（Ｓ１０１）。原動機制御部１０２は、当該目標周波数を示す周波数指令（原動機制御信号）を第１発電設備１１Ａに対応する特定の周波数指令出力周期（例えば１Ｓ）で出力する（Ｓ１０２）。発電機制御部１０３は、母線電圧の電圧値Ｖｂ（図１参照）と第１発電設備１１Ａの出力電圧の電圧値Ｖ１（図１参照）との比較結果に基づいて目標電圧値を算出する（Ｓ１０３）。発電制御部１０３は、当該目標電圧値を示す電圧値指令（発電機制御信号）を第１発電設備１１Ａに対応する特定の電圧値指令出力周期で出力する（Ｓ１０４）。

【0030】

同期判定部１０４は、第１発電設備１１Ａの出力電圧と母線電圧との同期が完了したか否かを判定する（Ｓ１０５）。同期が完了した場合（Ｓ１０５：Ｙｅｓ）、遮断器制御部１０５は、母線電圧及び第１発電設備１１Ａからの出力電圧が負荷に供給されるように（同期点３１Ａ，４１ＡのみがＯＮとなるように）第１遮断器３１及び第２遮断器４１を制御する（Ｓ１０６）。

【0031】

一方、同期が完了していない場合（Ｓ１０５：Ｎｏ）、警報出力部１０６は、同期制御の開始後、所定時間が経過したか否かを判定する（Ｓ１０７）。所定時間が経過していない場合（Ｓ１０７：Ｎｏ）、ステップＳ１０１に戻り、所定時間が経過した場合（Ｓ１０８：Ｙｅｓ）、警報出力部１０６は、同期制御の異常等を通知するための警報をユーザＩ／Ｆ６６に出力する（Ｓ１０８）。

【0032】

以上のように、本実施形態によれば、原動機や発電機の特性に基づいて設定された設定値に基づいて同期制御が実行される。これにより、複数の発電設備間で異なる原動機や発電機が使用される場合であっても同期制御を効率的に実行することが可能となる。

【0033】

上記のような機能を実現するための処理を制御装置５１（コンピュータ）に実行させるプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ（Compact Disc）－ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ－Ｒ（Recordable）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録して提供することが可能なものである。また、当該プログラムは、インターネット等のネットワーク経由で提供又は配布されてもよい。

【0034】

以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上記新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0035】

１…発電システム、１１Ａ～１１Ｆ…発電設備、２１Ａ～２１Ｆ…原動機、２２Ａ～２２Ｆ…発電機、３１…第１遮断器、４１…第２遮断器、５１…制御装置、５５…母線、５６Ａ～５６Ｆ…配電線、１０１…設定部、１０２…原動機制御部、１０３…発電機制御部、１０４…同期判定部、１０５…遮断器制御部、１０６…警報出力部、１１１…設定値

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】