(57)【要約】【課題】系統に連系可能な発電機を駆動するガスエンジンの出力制御において、定格負荷運転時に発電電力が設定負荷以上にならないようにする。【解決手段】  この制御装置は、ドループ制御部１２と、所定の負荷率を目標値として電力制御を行う電力制御部１３と、ドループ制御部からの第１制御信号と電力制御部からの第２制御信号のうち値が低い方を選択して制御信号として出力する比較部１５とを有している。目標値以下の負荷率では回転制御となり、目標値以上の負荷率では系統の母線周波数の影響を受けない電力制御となるので、負荷率が安定して過負荷によるノッキングが回避され、効率優先の調整が可能となって効率が向上する。【選択図】図１
2008121432.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
系統に対して連系及び遮断が可能とされた発電機を駆動するガスエンジンの制御装置において、
ドループによる回転数制御を行うドループ制御部と、所定の負荷率を目標値として電力制御を行う電力制御部と、前記ドループ制御部からの第１制御信号と前記電力制御部からの第２制御信号が入力されて値が低い方を選択して制御信号として出力する比較部とを有し、前記系統との連系時には前記ガスエンジンの燃料制御を行うドライバに前記制御信号を出力する電子ガバナを備えることを特徴とするガスエンジンの制御装置。
【請求項２】
負荷率の目標値を前記ガスエンジンにノッキングが発生する最大負荷率とし、前記比較部は、前記ガスエンジンの負荷が最大負荷率に達しない場合には、前記ドループ制御部から出力される相対的に値の低い前記第１制御信号を前記制御信号とし、前記ガスエンジンの負荷が最大負荷率を越えた場合には、前記電力制御部から出力される相対的に値の低い前記第２制御信号を前記制御信号とすることを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンの制御装置。
【請求項３】
系統に対して連系及び遮断が可能とされた発電機を駆動するガスエンジンのガス供給弁を制御するための制御装置において、
前記発電機の電圧電流波形を電力信号に変換して出力する電力トランスデューサと、
前記発電機の電圧電流波形と目標発電電力とが入力され、前記発電機が発電する電力が前記目標発電電力を含む所定の不感帯を外れた場合に速度増信号又は速度減信号を出力する電力コントローラと、
前記ガスエンジンの回転数を検出して回転パルス信号を出力する回転数検出手段と、
回転数初期値と目標電力とドループ率とが設定された記憶手段と、
前記記憶手段から得た回転数初期値と前記電力コントローラからの速度増信号又は速度減信号により第１目標回転数を算出する第１目標回転数設定手段と、前記電力トランスデューサからの電力信号と前記記憶手段からのドループ率と前記回転数検出手段からの回転パルス信号とに基づいて前記第１目標回転数設定手段からの前記第１目標回転数を変更して第２目標回転数を算出する第２目標回転数設定手段とを有し、前記第２目標回転数を第１制御信号として出力することによりドループによる回転数制御を行うドループ制御部と、
前記記憶手段から得た目標電力と前記電力トランスデューサからの電力信号により電力制御のための第２制御信号を出力する電力制御部と、
前記系統との連系時には前記ドループ制御部からの第１制御信号と前記電力制御部からの第２制御信号を比較して値が低い方を制御信号として出力する比較部と、
前記比較部から前記制御信号を与えられ、前記ガスエンジンの前記ガス供給弁に駆動信号を与えて前記ガスエンジンに対するガス燃料の供給を制御するドライバと、
を備えることを特徴とするガスエンジンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力会社からの送電系統に対して連系及び遮断が可能とされた発電機をガスエンジンで駆動するシステムにおいて、当該ガスエンジンへのガス供給を制御してその出力を制御するガスエンジンの制御装置に係り、特に運転時に電力が設定負荷以上となることが可及的に回避されてガスエンジンのノッキングが減少し、安定した運転を行うことができるガスエンジンの制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
工場等において、電力会社から送電される電力と、当該工場でガスエンジンによって発電機を駆動して得た電力とを連系して使用するシステムが採用されることがある。このように系統に連系可能な発電機を駆動するガスエンジンの出力制御において、エンジン回転数をフィードバック制御する通常の電子ガバナを用いると、エンジン回転数は系統に引っ張られているために電子ガバナの出力を変えても変化せず、そのままでは燃料調節を行うことができない。
【０００３】
例えば、目標回転数が１０００回転で実回転数が１００１回転の場合、電子ガバナは回転数を下げようとして燃料調整出力を下げるが、一定周波数の系統に連系している発電機に連動するエンジンの回転数は変化しないため、最終的には出力が０％となってエンジン出力も０％となり、逆に発電機がモーターとなって系統の電力（電力会社から供給される電力）によってエンジンを回転させる結果となってしまう。
【０００４】
そこで、系統に連系可能な発電機を駆動するガスエンジンの出力制御では、従来は回転数を基準としたドループ制御を行っている場合が多かった。この制御手法は、回転数を基準としたフィードバック制御であるが、機関の出力が大きいほど目標回転数を下げるように制御するものであり、また発電機が発電する電力が目標電力を含む所定の不感帯を外れた場合に速度増信号又は速度減信号を出力してそれぞれ回転増又は回転減を行う制御であった。
【０００５】
図５は、発電機を駆動するガスエンジンの上記従来の出力制御において使用される信号の波形を示すデジタル信号であって、同図（ａ）はガスエンジンの回転数（機関回転数）の時間変化を示し、同図（ｂ）は発電機が出力する電力（負荷率で示す）の時間変化を示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、系統から供給される電力の周波数（母線周波数）は厳密には一定ではなく、若干の変動が避けられない。例えば、関東地方では電力会社から供給される電気の周波数は５０Ｈｚであるが、実際には±０．１Ｈｚ程度の変動がある。従って、図５（ａ）に示すように、エンジン回転数は母線周波数の変化に伴って変化することが避けられない。
【０００７】
また、図５（ｂ）に示すように、上記従来の制御では、発電機が発電する電力と比較して速度増信号又は速度減信号を出力するための基準範囲である不感帯が広いため、上述した母線周波数の変化に伴うエンジン回転数の変動によって負荷率が変動すると、速度減信号が間に合わず、定格出力に対して過負荷となってしまうことがあり、例えば図示の例のように負荷率が１０３％を超えてしまうこともあり、この際にエンジンがノッキングを起こしてしまうことがあった。
【０００８】
なお、上記過負荷状態の発生を避けるために不感帯を狭く設定したとすると、速度増信号又は速度減信号がより頻繁に出力されることとなり、結果として不感帯を越えて負荷が上昇する事象の発生確率が、不感帯が広い場合に比べてむしろ大きくなってしまう。
【０００９】
なお、上記のような不具合を避けるために、電力のみの制御を行うことも考えられるが、その場合には、ガスエンジン及び発電機を系統から切り離して運転する状態（例えば定格運転に達して系統に連系する前の始動時等）では、回転制御をしなければ、電力会社の電気の周波数に相当する回転数を維持することができないので、かかる電力のみの制御を採用することはできない。
【００１０】
このように、系統に連系可能な発電機を駆動するガスエンジンの従来の出力制御においては、母線周波数の変動と、制御における不感帯の広さとに起因した過負荷の発生によるノッキングの問題があり、過負荷でもノッキングが発生しないようにＰmax （シリンダ内燃焼最高圧力）を下げてノッキング領域を減らす等の調整を行わざるを得ないために、エンジンの効率が低下してしまうという問題があった。
【００１１】
本発明は以上の課題を解決するものであり、系統に連系可能な発電機を駆動するガスエンジンの出力制御において、定格負荷運転時に発電電力が設定負荷以上にならないように制御可能であり、その結果、ノッキングの発生が減少して安定した運転を可能とすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１に記載されたガスエンジンの制御装置は、
系統に対して連系及び遮断が可能とされた発電機を駆動するガスエンジンの制御装置において、
ドループによる回転数制御を行うドループ制御部と、所定の負荷率を目標値として電力制御を行う電力制御部と、前記ドループ制御部からの第１制御信号と前記電力制御部からの第２制御信号が入力されて値が低い方を選択して制御信号として出力する比較部とを有し、前記系統との連系時には前記ガスエンジンの燃料制御を行うドライバに前記制御信号を出力する電子ガバナを備えることを特徴としている。
【００１３】
請求項２に記載されたガスエンジンの制御装置は、請求項１に記載のガスエンジンの制御装置において、
負荷率の目標値を前記ガスエンジンにノッキングが発生する最大負荷率とし、前記比較部は、前記ガスエンジンの負荷が最大負荷率に達しない場合には、前記ドループ制御部から出力される相対的に値の低い前記第１制御信号を前記制御信号とし、前記ガスエンジンの負荷が最大負荷率を越えた場合には、前記電力制御部から出力される相対的に値の低い前記第２制御信号を前記制御信号とすることを特徴としている。
【００１４】
請求項３に記載されたガスエンジンの制御装置は、
系統に対して連系及び遮断が可能とされた発電機を駆動するガスエンジンのガス供給弁を制御するための制御装置において、
前記発電機の電圧電流波形を電力信号に変換して出力する電力トランスデューサと、
前記発電機の電圧電流波形と目標発電電力とが入力され、前記発電機が発電する電力が前記目標発電電力を含む所定の不感帯を外れた場合に速度増信号又は速度減信号を出力する電力コントローラと、
前記ガスエンジンの回転数を検出して回転パルス信号を出力する回転数検出手段と、
回転数初期値と目標電力とドループ率とが設定された記憶手段と、
前記記憶手段から得た回転数初期値と前記電力コントローラからの速度増信号又は速度減信号により第１目標回転数を算出する第１目標回転数設定手段と、前記電力トランスデューサからの電力信号と前記記憶手段からのドループ率と前記回転数検出手段からの回転パルス信号とに基づいて前記第１目標回転数設定手段からの前記第１目標回転数を変更して第２目標回転数を算出する第２目標回転数設定手段とを有し、前記第２目標回転数を第１制御信号として出力することによりドループによる回転数制御を行うドループ制御部と、
前記記憶手段から得た目標電力と前記電力トランスデューサからの電力信号により電力制御のための第２制御信号を出力する電力制御部と、
前記系統との連系時には前記ドループ制御部からの第１制御信号と前記電力制御部からの第２制御信号を比較して値が低い方を制御信号として出力する比較部と、
前記比較部から前記制御信号を与えられ、前記ガスエンジンの前記ガス供給弁に駆動信号を与えて前記ガスエンジンに対するガス燃料の供給を制御するドライバと、
を備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るガスエンジンの制御装置によれば、ガスエンジンにノッキングが発生する最大負荷率を負荷率の目標値とすれば、目標値以下の負荷率では相対的に低い制御信号を出力する回転制御となり、目標値以上の負荷率では相対的に低い制御信号を出力する電力制御となる。電力制御では、系統の母線周波数の影響を受けないので負荷率が安定し、その結果過負荷によるノッキングが回避されて効率優先の調整を行うことができ、効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本例に係るガスエンジンの制御装置の構成を示すブロック図である。
ガスエンジン１は、各気筒２にガス供給電磁弁３がそれぞれ設けられており、各ガス供給電磁弁３はドライバ４によって制御される。ガスエンジン１に連動連結された発電機５は、系統に対して自在に連系及び遮断が可能とされている。
【００１７】
前記発電機５によって発電された電気の電圧電流波形は電力トランスデューサ６に与えられ、電力信号に変換して出力される。
【００１８】
電力コントローラ７には、前記発電機５によって発電された電気の電圧電流波形と、エンジン制御盤８で設定された目標発電電力とが入力され、前記発電機５が発電する電力が、前記目標発電電力を含む所定の不感帯を外れた場合に、速度増信号（不感帯の下限を下回った場合）又は速度減信号（不感帯の上限を上回った場合）を出力して後述する電子ガバナ１０に与えるように構成されている。
【００１９】
前記ガスエンジン１のリンクギヤ９の近傍には、その回転数を検出して回転パルス信号を出力する回転数検出手段としてのマグネットピックアップ１１が設けられており、この回転パルス信号は後述する電子ガバナ１０における回転数制御のために用いられている。
【００２０】
本制御装置の要部となる電子ガバナ１０は、第１の制御部であるドループ制御部１２と、第２の制御部である電力制御部１３と、制御用のデータが記憶されている記憶手段１４と、ドループ制御部１２と電力制御部１３のいずれの制御信号を選択するか決定するための比較部１５とを有している。
【００２１】
まず、電子ガバナ１０には、制御用のデータを記憶するための記憶手段１４が設けられており、この記憶手段１４には、ガスエンジン１の回転数初期値１６と、発電機５が発電しようとする目標電力１７（制御の基準となる設定負荷率に対応するものであり、本例では固定で最大負荷率１００％に設定）と、ドループ率１８とが設定されている。なお詳細は後述するが、ドループ率とは、機関の出力が大きいほど目標回転数を下げるように制御するドループ制御において、負荷率１００％分の変化に対して目標回転数が変化する％を示すものである。
【００２２】
次に、電子ガバナ１０は、第１の制御部としてドループ制御部１２を有している。ドループ制御部１２は、第１目標回転数設定手段２０と、第２目標回転数設定手段２１とを有している。
第１目標回転数設定手段２０は、前記記憶手段１４から得た回転数初期値１６と、前記電力コントローラ７からの速度増信号（パルス）又は速度減信号（パルス）により、第１目標回転数を算出する。
【００２３】
第２目標回転数設定手段２１は、前記電力トランスデューサ６からの電力信号と、前記記憶手段１４からのドループ率１８とに基づいて、前記第１目標回転数設定手段２０からの前記第１目標回転数を変更して第２目標回転数を算出する。
【００２４】
回転制御部２２は、前記第２目標回転数設定手段２１からの前記第２目標回転数と、前記マグネットピックアップ１１からの回転パルス信号により、ドループによる回転数制御を行うための第１制御信号を出力する。
【００２５】
前記ドループ制御部１２によるドループ制御を図２を参照して説明する。まず上述したようにドループ制御部１２には２つの目標回転数が存在する。第１目標回転数は、記憶手段１４に設定された回転数初期値１６（本例では例えば１０００min -1（毎分回転数）とする）を、実際に発電されている発電機５の電力と目標発電電力との差に基づいて電力コントローラ７で生成されて出力される速度増減信号によって増減したものである。これに対し、第２の目標回転数は、第１の目標回転数を電力トランスデューサ６からの電力信号に対応する負荷率と記憶手段１４のドループ率１８とで修正した目標回転数であって、母線周波数が５０Ｈｚであれば１０００min -1となり、実際のフィードバック制御ではこの回転数となるように制御が行われる。
【００２６】
図２は、定格回転数（系統と連系している場合の回転数）が１０００min -1、ドループ率４％とした例である。ドループ率４％とは、負荷率１００％分の変化に対して第１目標回転数が定格回転数の４％変化することを意味する。
【００２７】
例えば、第１目標回転数が１０００min -1の時、負荷率は０％となる。ここで、運転に伴い負荷が上昇した場合、系統と連系しているために回転数は１０００min -1で変化しないから、第１目標回転数は変化し、これが１０４０min -1まで上昇した時、母線周波数が５０Ｈｚであれば第２目標回転数は１０００min -1であるから、負荷率は１００％となる。
【００２８】
また例えば、実際の運転において負荷率が５０％であるとすると、系統と連系しているために第２目標回転数は１０００min -1で定格回転数から変化しないので、第１目標回転数は１０２０min -1となる。
【００２９】
そして、これらの例のような状態において、母線周波数が振れると（図２中の「第２目標値の変化」参照）、回転数１min -1の変化に対して負荷率が２．５％変化することとなる。これが母線周波数の変動による出力の変動である。
【００３０】
次に、電子ガバナ１０は、第２の制御部として電力制御部１３を有している。
電力制御部１３は、前記記憶手段１４から得た目標電力１７と、前記電力トランスデューサ６からの電力信号により、電力制御のための第２制御信号を出力する。
【００３１】
次に、電子ガバナ１０は、前記系統との連系時に、前記ドループ制御部１２からの第１制御信号と前記電力制御部１３からの第２制御信号を比較し、値が低い方を制御信号として出力する比較部１５を有している。
【００３２】
本例においては、ガスエンジン１にノッキングが発生する最大負荷率を負荷率の目標値（目標電力１７に相当）とすれば、目標値以下の負荷率では相対的に低い制御信号を出力する回転制御となり、比較部１５からは第１制御信号が制御信号として出力され、目標値以上の負荷率では相対的に低い制御信号を出力する電力制御となり、比較部１５からは第２制御信号が制御信号として出力される。電力制御では、系統の母線周波数の影響を受けないので負荷率が安定し、その結果過負荷によるノッキングが回避されて効率優先の調整を行うことができ、効率が向上する。
【００３３】
前記比較部１５からの制御信号はドライバ４に与えられ、各ドライバ４はガスエンジン１のガス供給電磁弁３に駆動電流を与えてガスエンジン１の各気筒３に対するガス燃料の供給を制御する。
【００３４】
以上の構成による作用について説明する。
図３の上に示すグラフは、電力トランスデューサ６を介して入力され、電子ガバナ１０にてデジタル化した負荷率の時間変化を示す波形であり、下に示すグラフは、電子ガバナ１０の比較部１５にて比較演算された結果であるガバナ出力としての制御信号を表す波形である。本例においては、予めガスエンジン１がノッキングを起こし始める最大負荷率１００％を設定負荷率とし、記憶手段１４に目標電力１７として入力・記憶させておく。
【００３５】
図３の時刻０〜ｔ１では、ガスエンジン１の負荷率は設定負荷よりも低く、母線周波数が上ると、回転数制御では目標回転数が母線周波数に相当する負荷率となるように出力を下げるが、これに対し電力制御では目標以下に低下した負荷を上げようとして出力を上昇させる。このため、目標値以下の負荷率では回転数制御が優先される。
【００３６】
図３の時刻ｔ１〜ｔ２では、ガスエンジン１の負荷率は設定負荷よりも高く、母線周波数が下がると、回転数制御では目標回転数が母線周波数に相当する負荷率となるように出力を上げ、これに対し電力制御では目標以上に上昇した負荷を下げようとして出力を低下させる。このため、目標値以上の負荷率では電力制御が優先される。
【００３７】
従って、図３の時刻０〜ｔ１及びｔ２以上においては、目標値以下の負荷率であるために回転数制御が選択され、図３の時刻ｔ１〜ｔ２においては、目標値以上の負荷率であるために電力制御が選択される。このように、本装置においては、電子ガバナ１０において負荷が設定負荷以上であるか、以下であるかを判断することはなく、最大負荷率を負荷率の目標値（目標電力１７に相当）とし、第１及び第２制御信号の低い方を比較選択して出力する結果、目標値以下の負荷率では相対的に低い制御信号を出力する回転制御となり、目標値以上の負荷率では相対的に低い制御信号を出力する電力制御となる切り換えが行われる。このため、目標値以上の負荷率となる領域においては電力制御によって系統の母線周波数の影響を受けることなく安定した負荷率で運転でき、過負荷によるノッキングが回避されて効率優先の調整を行うことができ、効率が向上することとなる。
【００３８】
図４は、本例において使用される信号の波形を示すデジタル信号であって、同図（ａ）はマグネットピックアップ１１からの回転パルス信号（機関回転数に相当）の時間変化を示し、同図（ｂ）は発電機５が出力する電力（負荷率で示す）の時間変化を示している。本例によれば、ガスエンジン１の回転数には母線周波数の変化に伴って変化が表れているが、上で説明したような電力制御と回転数制御が混在した制御によって母線周波数の変動に影響を受けにくくなるため、同図（ｂ）に示すように負荷率が安定している。
【００３９】
また、本例の制御装置によれば、電力制御と回転数制御を併用し、外部からの信号無しに両者を切り換えて使用しているので、発電機５と系統との連系が瞬間的に遮断され、遮断前は回転数が母線周波数に依存するために遮断後はガスエンジン１自体で回転数を維持しなければならない場合においても、負荷率が目標値以下となった場合に自動的に回転制御に切り替わるので、系統の遮断後も回転数を制御して適正な運転を維持することができる。これに対し、電力制御のみとした場合は、系統からの遮断後に回転数を維持できなくなるので、適正な運転を続行することができなくなる。
【００４０】
以上説明したように、系統に対して連系及び遮断が可能とされた発電機を駆動する本発明に係るガスエンジンの制御装置によれば、比較的低負荷の領域では制御信号がリミッター制限一杯の高い値になる電力制御を用いず、ドループ回転数制御を行うものとし、ドループ回転数制御ではノッキングを生じてしまうような高負荷領域のみにおいて制御信号の値が低下する電力制御を利用した。このため、ノッキングの発生条件である負荷率１００％を越えるような過負荷とはならない状態でガスエンジン１を運転することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係るガスエンジンの制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、ドループ制御を説明するための回転数と負荷率との関係を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態における制御波形の模式図であり、上のグラフが電力トランスデューサを介して入力され、電子ガバナにてデジタル化した負荷率の時間変化を示す波形図であり、下のグラフが電子ガバナの比較部にて比較演算された結果であるガバナ出力としての制御信号を表す波形図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態における制御波形を示すデジタル信号であって、同図（ａ）はマグネットピックアップからの回転パルス信号（機関回転数に相当）の時間変化を示す図であり、同図（ｂ）は発電機が出力する電力（負荷率で示す）の時間変化を示す図である。
【図５】図５は、発電機を駆動するガスエンジンの従来の出力制御において使用される信号の波形を示すデジタル信号であって、同図（ａ）はガスエンジンの回転数（機関回転数）の時間変化を示す図であり、同図（ｂ）は発電機が出力する電力（負荷率で示す）の時間変化を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  ガスエンジン
４  ドライバ
５  発電機
６  電力トランスデューサ
７  電力コントローラ
１０  電子ガバナ
１１  回転数検出手段としてのマグネットピックアップ
１２  ドループ制御部
１３  電力制御部
１４  記憶手段
１５  比較部
１６  回転数初期値
１７  目標電力
１８  ドループ率
２０  第１目標回転数設定手段
２１  第２目標回転数設定手段
２２  回転制御部
【図１】
2008121432.tif 000003
【図２】
2008121432.tif 000004
【図３】
2008121432.tif 000005
【図４】
2008121432.tif 000006
【図５】
2008121432.tif 000007