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技術 洋上発電施設及びその運転方法

出願人 エムエイチアイヴェスタスオフショアウィンドエー/エス
発明者 若狭強志
出願日 2012年12月27日 (8年0ヶ月経過) 出願番号 2012-284851
公開日 2014年7月7日 (6年5ヶ月経過) 公開番号 2014-128160
状態 特許登録済
技術分野 発電機の制御
主要キーワード フィヨルド 電力供給ステップ 機械的トルク 巻線形回転子 送電路 回転電機子型 サブステーション 非常用電源設備
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図面 (9)

課題

グリッド側からの電力供給途絶えた状況下においても非常用電源設備以外の電源を確保可能である洋上発電施設及びその運転方法を提供する。

解決手段

洋上発電施設は、海底ケーブルを介してグリッドに連系されるとともに、電力変換装置を介さずに前記海底ケーブルに接続される電機子と、前記グリッドを電源として利用して励磁されるように構成された界磁とを含む少なくとも一つの発電機と、各々の前記発電機を駆動するための少なくとも一つの原動機とを備える。各々の前記発電機は、前記グリッドから切り離された状態で、前記界磁の前記電機子に対する相対的回転に起因した自己励磁によって起動可能に構成される。

概要

背景

近年、地球環境保全の観点から、風況に優れた洋上に設けられる風力発電施設洋上風力発電施設)が脚光を浴びている。

洋上風力発電施設に代表される洋上発電施設は、一般的に、海底ケーブルを介して電力系統グリッド)に連系される。例えば、発電装置からの電力を海底ケーブルによって洋上サブステーション送り、洋上サブステーションにおいて昇圧された電力を海底ケーブルで構成される送電路によってグリッドに送る技術が知られている。

また、洋上風力発電プラントで一般的に用いられる送電設備として、高圧直流HVDC;High Voltage Direct Current)システムを介してグリッドに連系されたものがある(特許文献1参照)。
HVDCシステムは、発電装置側に設けられる交直変換器(送り出し変換器;SEC;Sending End Converter)と、グリッド側に設けられる直交変換器受け取り変換器;REC;Receiving End Converter)とを有している。交直変換器と直交変換器の間には、直流送電路が設けられる。交直変換器は、発電装置からの交流電力直流電力に変換し、直流送電路を介して直交変換器に直流電力を供給する。直交変換器は、直流送電路を介して交直変換器から受け取った直流電力を交流電力に変換し、グリッドにこれを供給する。

概要

グリッド側からの電力供給途絶えた状況下においても非常用電源設備以外の電源を確保可能である洋上発電施設及びその運転方法を提供する。 洋上発電施設は、海底ケーブルを介してグリッドに連系されるとともに、電力変換装置を介さずに前記海底ケーブルに接続される電機子と、前記グリッドを電源として利用して励磁されるように構成された界磁とを含む少なくとも一つの発電機と、各々の前記発電機を駆動するための少なくとも一つの原動機とを備える。各々の前記発電機は、前記グリッドから切り離された状態で、前記界磁の前記電機子に対する相対的回転に起因した自己励磁によって起動可能に構成される。

目的

本発明の少なくとも一実施形態の目的は、グリッド側からの電力供給が途絶えた状況下においても非常用電源設備以外の電源を確保可能である洋上発電施設及びその運転方法を提供する

効果

実績

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請求項1

海底ケーブルを介してグリッド連系されるとともに、電力変換装置を介さずに前記海底ケーブルに接続される電機子と、前記グリッドを電源として利用して励磁されるように構成された界磁とを含む少なくとも一つの発電機と、各々の前記発電機を駆動するための少なくとも一つの原動機とを備える洋上発電施設であって、各々の前記発電機は、前記グリッドから切り離された状態で、前記界磁の前記電機子に対する相対的回転に起因した自己励磁によって起動可能に構成されたことを特徴とする洋上発電施設。

請求項2

前記界磁に界磁電流を供給するための励磁機と、前記電機子と並列に前記海底ケーブルに接続され、前記グリッドからの電力供給を受けて動作し、前記励磁機を制御して前記界磁電流を調節するように構成された界磁制御ユニットとをさらに備え、各々の前記発電機は、前記界磁としての界磁巻線と、前記電機子としての電機子巻線とを含む同期発電機であることを特徴とする請求項1に記載の洋上発電施設。

請求項3

前記同期発電機の端子電圧を検出するための端子電圧検出器と、前記界磁制御ユニットと前記海底ケーブルとの間に設けられる界磁遮断器と、前記グリッドから切り離された状態での前記同期発電機の起動時、前記自己励磁によって前記端子電圧が閾値まで上昇したときに前記界磁遮断器を閉じるように構成された遮断器制御部とをさらに備えることを特徴とする請求項2に記載の洋上発電施設。

請求項4

各々の前記発電機は、前記海底ケーブルを介して前記グリッドから励磁電流の供給を受ける前記電機子としての固定子と、前記固定子からの電磁誘導によって励磁されるように構成された前記界磁としての回転子を含む誘導発電機であることを特徴とする請求項1に記載の洋上発電施設。

請求項5

海底ケーブルを介してグリッドに連系されるとともに、電力変換装置を介さずに前記海底ケーブルに接続される電機子と、前記グリッドを電源として利用して励磁されるように構成された界磁とを含む少なくとも一つの発電機と、各々の前記発電機を駆動するための少なくとも一つの原動機とを備える洋上発電施設の運転方法であって、各々の前記発電機の前記グリッドから切り離された状態で前記界磁を前記電機子に対して相対回転させて、前記発電機を自己励磁によって起動する起動ステップを備えることを特徴とする洋上発電施設の運転方法。

請求項6

前記洋上発電施設は、前記発電機に負荷遮断器を介して接続される少なくとも一つの負荷をさらに備え、前記起動ステップの後、前記負荷遮断器を閉じて前記発電機からの電力を前記少なくとも一つの負荷に供給する電力供給ステップをさらに備えることを特徴とする請求項5に記載の洋上発電施設の運転方法。

請求項7

前記洋上発電施設は、前記界磁に界磁電流を供給するための励磁機と、前記電機子と並列に前記海底ケーブルに接続され、前記グリッドからの電力供給を受けて動作し、前記励磁機を制御して前記界磁電流を調節するように構成された界磁制御ユニットとをさらに備え、各々の前記発電機は、前記界磁としての界磁巻線と、前記電機子としての電機子巻線とを含む同期発電機であることを特徴とする請求項5又は6に記載の洋上発電施設の運転方法。

請求項8

前記起動ステップの後、前記同期発電機の端子電圧が前記自己励磁によって閾値まで上昇したときに、前記電機子巻線からの電力が前記界磁制御ユニットに供給されるように、前記界磁制御ユニットと前記海底ケーブルとの間に設けられる界磁遮断器を操作する遮断器操作テップをさらに備えることを特徴とする請求項7に記載の洋上発電施設の運転方法。

請求項9

各々の前記発電機は、前記海底ケーブルを介して前記グリッドから励磁電流の供給を受ける前記電機子としての固定子と、前記固定子からの電磁誘導によって励磁されるように構成された前記界磁としての回転子を含む誘導発電機であることを特徴とする請求項5又は6に記載の洋上発電施設の運転方法。

技術分野

0001

本開示は、洋上発電施設及びその運転方法に関する。

背景技術

0002

近年、地球環境保全の観点から、風況に優れた洋上に設けられる風力発電施設洋上風力発電施設)が脚光を浴びている。

0003

洋上風力発電施設に代表される洋上発電施設は、一般的に、海底ケーブルを介して電力系統グリッド)に連系される。例えば、発電装置からの電力を海底ケーブルによって洋上サブステーション送り、洋上サブステーションにおいて昇圧された電力を海底ケーブルで構成される送電路によってグリッドに送る技術が知られている。

0004

また、洋上風力発電プラントで一般的に用いられる送電設備として、高圧直流HVDC;High Voltage Direct Current)システムを介してグリッドに連系されたものがある(特許文献1参照)。
HVDCシステムは、発電装置側に設けられる交直変換器(送り出し変換器;SEC;Sending End Converter)と、グリッド側に設けられる直交変換器受け取り変換器;REC;Receiving End Converter)とを有している。交直変換器と直交変換器の間には、直流送電路が設けられる。交直変換器は、発電装置からの交流電力直流電力に変換し、直流送電路を介して直交変換器に直流電力を供給する。直交変換器は、直流送電路を介して交直変換器から受け取った直流電力を交流電力に変換し、グリッドにこれを供給する。

先行技術

0005

米国特許第6479907号明細書

発明が解決しようとする課題

0006

ところで、グリッド側からの電力供給途絶えた状況下でも、例えば洋上発電施設の保守作業のために電源が必要になる場合がある。そのため、洋上発電施設には非常用電源設備ディーゼル発電機)を設置することがある。

0007

ところが、洋上発電施設は過酷な環境下に晒されるため、非常用電源設備を含む構成機器故障の可能性が低いとは言い難い。例えば、非常用電源設備を洋上サブステーションに設置することがあるが、洋上サブステーション自体が雷雨台風ハリケーン塩害等に曝されるため、そのような場所に設置される非常用電源設備の故障のリスクは少なからず存在する。
一方、洋上発電施設は、上発電施設とは異なりアクセスが大幅に制限される。すなわち、洋上発電施設へのアクセスはヘリコプターによって行われるが、荒天時には洋上発電施設にアクセスすることは困難である。よって、洋上発電施設は、非常用電源設備の構成機器が故障しても容易に修理することができない。

0008

このような事情から、洋上発電施設では、信頼性向上のために非常用電源設備を含む構成機器に冗長性(Redundancy)を持たせるのが一般的である。しかし、構成機器の冗長化によって洋上発電施設の運用コストを低減できるものの、予備の非常用電源設備を設置するために設備コストが嵩んでしまう。
よって、非常用電源設備の容量や個数を低減して設備コストを削減する観点から、グリッド側からの電力供給が途絶えた状況下においても利用可能な電源を非常用電源設備以外にも確保することが望まれる。

0009

本発明の少なくとも一実施形態の目的は、グリッド側からの電力供給が途絶えた状況下においても非常用電源設備以外の電源を確保可能である洋上発電施設及びその運転方法を提供することである。

課題を解決するための手段

0010

本発明の少なくとも一実施形態に係る洋上発電施設は、
海底ケーブルを介してグリッドに連系されるとともに、電力変換装置を介さずに前記海底ケーブルに接続される電機子と、前記グリッドを電源として利用して励磁されるように構成された界磁とを含む少なくとも一つの発電機と、
各々の前記発電機を駆動するための少なくとも一つの原動機とを備える洋上発電施設であって、
各々の前記発電機は、前記グリッドから切り離された状態で、前記界磁の前記電機子に対する相対的回転に起因した自己励磁によって起動可能に構成される。

0011

上記洋上発電施設では、比較的高い静電容量を有する海底ケーブルに発電機の電機子が電力変換装置を介さずに接続されているため、発電機の自己励磁現象が起きる。すなわち、たとえ発電機の界磁が無励磁であっても、界磁が電機子に対して相対的に回転すると、界磁の残留磁気に起因した自己励磁現象によって、発電機端子電圧が上昇する。
したがって、発電機がグリッドから切り離されてグリッドから電力の供給が途絶えた状況下であっても自己励磁現象によって発電機を起動できるので、非常用電源設備以外の電源として発電機を利用できる。

0012

幾つかの実施形態では、上記洋上発電施設は、前記界磁に界磁電流を供給するための励磁機と、前記電機子と並列に前記海底ケーブルに接続され、前記グリッドからの電力供給を受けて動作し、前記励磁機を制御して前記界磁電流を調節するように構成された界磁制御ユニットとをさらに備え、各々の前記発電機は、前記界磁としての界磁巻線と、前記電機子としての電機子巻線とを含む同期発電機である。
この場合においても、上述の理由により、グリッドからの電力供給が途絶えた状況下であっても、界磁巻線の残留磁気を利用した自己励磁現象によって同期発電機を起動できる。

0013

一実施形態では、上記洋上発電施設は、前記同期発電機の端子電圧を検出するための端子電圧検出器と、前記界磁制御ユニットと前記海底ケーブルとの間に設けられる界磁遮断器と、前記グリッドから切り離された状態での前記同期発電機の起動時、前記自己励磁によって前記端子電圧が閾値まで上昇したときに前記界磁遮断器を閉じるように構成された遮断器制御部とをさらに備える。
これにより、界磁巻線の残留磁気を利用した自己励磁現象によって同期発電機を起動する際、発電機端子電圧が閾値に達したときに界磁遮断器を閉じることで、発電機端子電圧の過度な上昇を防止できる。よって、同期発電機の絶縁破壊を回避できる。
なお、界磁遮断器が閉じられる時点では既に十分な発電機端子電圧が確保されているから、それ以降は同期発電機から供給される電力によって界磁制御ユニットを作動させて、励磁機からの界磁電流を界磁に供給できる。

0014

幾つかの実施形態では、各々の前記発電機は、前記海底ケーブルを介して前記グリッドから励磁電流の供給を受ける前記電機子としての固定子と、前記固定子からの電磁誘導によって励磁されるように構成された前記界磁としての回転子を含む誘導発電機である。
これにより、グリッドからの電力供給が途絶えた状況下においても、回転子の残留磁気を利用した自己励磁現象によって誘導発電機を起動できる。

0015

本発明の少なくとも一実施形態に係る洋上発電施設の運転方法は、
海底ケーブルを介してグリッドに連系されるとともに、電力変換装置を介さずに前記海底ケーブルに接続される電機子と、前記グリッドを電源として利用して励磁されるように構成された界磁とを含む少なくとも一つの発電機と、各々の前記発電機を駆動するための少なくとも一つの原動機とを備える洋上発電施設の運転方法であって、
各々の前記発電機の前記グリッドから切り離された状態で前記界磁を前記電機子に対して相対回転させて、前記発電機を自己励磁によって起動する起動ステップを備える。

0016

上記運転方法によれば、発電機がグリッドから切り離されてグリッドから電力の供給が途絶えた状況下であっても、界磁の電機子に対する相対的回転を作り出すことで、界磁の残留磁気を利用した自己励磁現象によって発電機を起動できる。よって、非常用電源設備以外の電源として発電機を利用できる。
なお、発電機の自己励磁現象が起きるのは、比較的高い静電容量を有する海底ケーブルに発電機の電機子が電力変換装置を介さずに接続されているためである。

0017

幾つかの実施形態では、前記洋上発電施設は、前記発電機に負荷遮断器を介して接続される少なくとも一つの負荷をさらに備え、上記洋上発電施設の運転方法は、前記起動ステップの後、前記負荷遮断器を閉じて前記発電機からの電力を前記少なくとも一つの負荷に供給する電力供給ステップをさらに備える。
これにより、グリッドから電力の供給が途絶えた状況下であっても、発電機から負荷に電力を供給できる。

0018

幾つかの実施形態では、前記洋上発電施設は、前記界磁に界磁電流を供給するための励磁機と、前記電機子と並列に前記海底ケーブルに接続され、前記グリッドからの電力供給を受けて動作し、前記励磁機を制御して前記界磁電流を調節するように構成された界磁制御ユニットとをさらに備え、各々の前記発電機は、前記界磁としての界磁巻線と、前記電機子としての電機子巻線とを含む同期発電機である。この場合において、上記運転方法は、前記起動ステップの後、前記同期発電機の端子電圧が前記自己励磁によって閾値まで上昇したときに、前記電機子巻線からの電力が前記界磁制御ユニットに供給されるように、前記界磁制御ユニットと前記海底ケーブルとの間に設けられる界磁遮断器を操作する遮断器操作テップをさらに備えてもよい。
このように、界磁巻線の残留磁気を利用した自己励磁現象によって同期発電機を起動する際、発電機端子電圧が閾値に達したときに界磁遮断器を閉じることで、発電機端子電圧の過度な上昇を防止できる。よって、同期発電機の絶縁破壊を回避できる。

発明の効果

0019

本発明の少なくとも一実施形態では、比較的高い静電容量を有する海底ケーブルに発電機の電機子が電力変換装置を介さずに接続されているため、発電機の自己励磁現象によって発電機端子電圧を上昇させることができる。
したがって、発電機がグリッドから切り離されてグリッドから電力の供給が途絶えた状況下であっても自己励磁現象によって発電機を起動でき、非常用電源設備以外の電源として発電機を利用できる。

図面の簡単な説明

0020

一実施形態に係る洋上発電施設の全体構成を示す図である。
一実施形態に係る洋上発電施設の発電機周辺の構成を示す図である。
一実施形態に係る洋上発電施設の等価回路図である。
図3に示す等価回路図を簡略化した図である。
一実施形態における同期発電機の無負荷飽和曲線を示すグラフである。
一実施形態に係る洋上発電施設の発電機周辺の構成を示す図である。
一実施形態に係る洋上発電施設の運転方法を示すフローチャートである。
一実施形態に係る洋上発電施設の運転方法を示すフローチャートである。

実施例

0021

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態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、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

0022

図1は、一実施形態に係る洋上発電施設の全体構成を示す図である。図2は、一実施形態に係る洋上発電施設の発電機周辺の構成を示す図である。

0023

図1に示すように、洋上発電施設1は、少なくとも一つの発電装置10と、各々の発電装置10が接続されるローカルグリッド2と、ローカルグリッド2とグリッド100との間に設けられるHVDC20とを備える。

0024

図1に示す例示的な実施形態では、ローカルグリッド2は、N個(Nは1以上の整数)の発電装置10にそれぞれ接続されるN本の海底ケーブル2Aと、バス4を介してN本の海底ケーブル2Aに接続される1本の海底ケーブル2Bとを含んでいる。各々の海底ケーブル2Aは、昇圧トランス3及び遮断器13を介して発電装置10(発電機12)に接続されてもよい。また、海底ケーブル2Bは、洋上サブステーションに設置される遮断器5や変圧器6を介してHVDC20に接続されてもよい。さらに、ローカルグリッド2には、高調波フィルタ7Aや、インターコネクティングリアクトル8Aが設けられていてもよい。

0025

図1に示すように、HVDC20は、大部分が海底ケーブルで構成される直流送電路22と、直流送電路22の両側に設けられる一対のVSC(Voltage Source Converter)24,26とを含む。ローカルグリッド2側のVSC24は、ローカルグリッド2からの交流電力を直流電力に変換する交直変換器(送り出し変換器;SEC)である。一方、グリッド100側のVSC26は、SEC24側から受け取った直流電力を交流電力に変換してグリッド100に供給する直交変換器(受け取り変換器;REC)である。REC26とグリッド100との間には、高調波フィルタ7Bや、インターコネクティング・リアクトル8Bが設けられていてもよい。

0026

なお、図1に示す例示的な実施形態では、N個の発電装置10にそれぞれ接続されるN本の海底ケーブル2Aをバス4によって1本に集約した海底ケーブル2Bが1個のSEC(交直変換器)24に接続される。
他の実施形態では、ローカルグリッド2は、N個の発電装置10にそれぞれ接続されるN本の海底ケーブルであり、各海底ケーブルが交直変換器24を介して直流送電路22に接続される。すなわち、ローカルグリッド2のN本の海底ケーブルが、バスによって1本に集約されることなく、N本の海底ケーブルに対してそれぞれ設けられたN個の交直変換器24を介して直流送電路22に接続される。

0027

各々の発電装置10は、発電機12を駆動するための原動機11を含む。
幾つかの実施形態では、原動機11は、風エネルギーや河流エネルギー又は潮流エネルギーを受けて回転するロータと、ロータに接続されるドライブトレインとを含む。この場合、発電機12には、ロータの回転エネルギーがドライブトレインを介して伝達され、該回転エネルギーは発電機12において電力エネルギーに変換される。一実施形態では、各々の発電装置10は洋上風力発電装置であり、幾つかの洋上風力発電装置10が集合した一つのウィンドファームがローカルグリッド2に接続されている。
他の実施形態では、原動機11は、燃料燃焼エネルギー出力軸の回転エネルギーに変換するディーゼルエンジン等の内燃機関である。

0028

幾つかの実施形態では、図2に示すように、発電機12は、インバータコンバータ等の電力変換装置を介さずに海底ケーブル2Aに接続される電機子12Aと、グリッド100を電源として利用して励磁されるように構成された界磁12Bとを含む。

0029

図2に示す例示的な実施形態では、発電機12は、回転界磁型の同期発電機である。すなわち、発電機12は、固定子側の電機子巻線(電機子)12Aと、回転子側の界磁巻線(界磁)12Bとを含む。電機子巻線12Aは静止したままであるのに対し、界磁巻線12Bは原動機11から入力される機械的トルクによって回転するようになっている。
なお、他の実施形態では、発電機12は、回転電機子型の同期発電機であってもよい。

0030

電機子巻線12Aは、インバータやコンバータ等の電力変換装置を介さずに海底ケーブル2Aに直接的に接続される。なお、電機子巻線12Aと海底ケーブル2Aとを電気的に隔てることがない機器(例えば、昇圧トランス3)を介して、電機子巻線12Aを海底ケーブル2Aに接続してもよい。

0031

界磁巻線12Bは、励磁機30から界磁電流の供給を受けて励磁される。図2に示す例示的な実施形態では、励磁機30は原動機11の出力軸に直結された交流励磁機であり、励磁機30からの交流電流整流器32によって直流電流に変換され、該直流電流が界磁電流として界磁巻線12Bに供給される。
なお、励磁機30の電機子及び整流器32は、同期発電機12の界磁巻線12Bとともに、原動機11の出力軸に直結されており、原動機11の出力軸に従動して回転する回転部を構成していてもよい。このように、交流励磁機30の回転電機子からの交流電流を整流器(回転整流器)32で整流して、回転子である界磁巻線21に供給すれば、ブラシを省略できる。

0032

一実施形態では、励磁機30は動作可能な界磁制御ユニット34によって制御され、界磁巻線12Bに供給される界磁電流が調節されるようになっている。界磁制御ユニット34は、励磁機30の界磁巻線31に流れる界磁電流の大きさを変化させることで、同期発電機12の界磁巻線12Bに供給される界磁電流の大きさを調節する。
界磁制御ユニット34は、同期発電機12の電機子巻線12Aと並列に海底ケーブル2Aに接続される。すなわち、界磁制御ユニット34は、電機子巻線12Aと海底ケーブル2Aとの間の電線14上の接続点35において電線14に接続される。また、海底ケーブル2Aと界磁制御ユニット34との間(具体的には界磁制御ユニット34と接続点35との間)には、界磁遮断器36が設けられる。

0033

界磁遮断器36は、遮断器制御部40によって開閉制御される。発電装置10の通常運転時、遮断器制御部40の制御によって界磁遮断器36は閉じられており、電線14を介した電力供給を受けて界磁制御ユニット34が作動可能になっている。
なお、遮断器制御部40は、界磁遮断器36に加えて、同期発電機12と負荷50との間に設けられる負荷遮断器52を開閉制御するようになっていてもよい。

0034

上記構成の洋上発電施設1における何らかの異常発生時、グリッド100からの電力供給が途絶えることがある。例えば、洋上サブステーションにおいて交直変換器24が停止してしまった場合、遮断器5が開かれて発電装置10及びローカルグリッド2はグリッド100から切り離される。

0035

このようにグリッド100からの電力供給が途絶えた状況下であっても、本発明の幾つかの実施形態では、同期発電機12の自己励磁現象を利用して同期発電機12を起動可能とする。

0036

ここで、図3〜5を用いて同期発電機12の自己励磁現象について説明する。図3は、一実施形態に係る洋上発電施設1の等価回路図である。図4は、図3に示す等価回路図を簡略化した図である。図5は、一実施形態における同期発電機12の無負荷飽和曲線を示すグラフである。

0037

図3に示すように、洋上発電施設1には、同期発電機12に接続された複数の容量性負荷CCableが存在する。幾つかの容量性負荷CCableは、海底ケーブル2A及び海底ケーブル2Bの静電容量によるものである。洋上発電施設1では、海底ケーブル2A,2Bの存在により容量性負荷CCableが相対的に大きいため、洋上発電施設1は、同期発電機12に対して並列に比較的大きな静電容量Cが接続されるとともに、同期発電機12に対して直列に負荷50が接続された回路みなすことができる(図4参照)。

0038

したがって、図5に示すように、発電施設1の送電経路充電特性線(V=I/ωCで表される直線)300の傾きが小さいために、界磁電流が小さい領域における無負荷飽和曲線200の勾配よりも充電特性線300の方が勾配は緩い。ただし、Vは発電機端子電圧であり、Iは同期発電機12から出力される交流電流の大きさであり、ωは同期発電機12から出力される交流電流の周波数である。

0039

そのため、同期発電機12を無励磁にて運転すると、界磁12Bの残留磁気に起因した自己励磁現象が起きる。
すなわち、原動機11から入力される機械的トルクによって界磁12Bが電機子12Aに対して相対的に回転すると、界磁12Bの残留磁気によって残留端子電圧V0が発生し、容量性負荷Cに対する充電電流I0が流れる。この充電電流I0は進み電流であるため、電機子反作用増磁作用)により端子電圧はV1まで高められ、これに伴って充電電流はI1まで増大する。こうして、端子電圧によって進み電流が発生し、進み電流が電機子反作用(増磁作用)によって端子電圧を高めるというサイクルが繰り返され、同期発電機12の端子電圧は無負荷飽和曲線200と充電特性線300との交点Sまで上昇する。これが、発電機の自己励磁現象である。

0040

幾つかの実施形態は、上述した同期発電機12の自己励磁現象を意図的に利用するために、インバータやコンバータ等の電力変換装置を介さずに同期発電機12の電機子12Aを海底ケーブル2Aに直接的に接続している。これにより、少なくとも海底ケーブル2Aに対する充電電流(進み電流)が生じることなり、自己励磁現象が起きやすい。
これに対し、電機子12Aが電力変換装置を介して海底ケーブル2Aに接続されている場合、電機子巻線12Aと海底ケーブル2Aとは電力変換装置によって電気的に縁が切れているため、何らかの対策を施さない限り、海底ケーブル2Aに対する充電電流(進み電流)が生じることはない。よって、海底ケーブル2Aの容量性負荷は、同期発電機12の自己励磁現象を引き起こす要因とはなりにくい。

0041

幾つかの実施形態では、グリッド100から切り離された状態で同期発電機12を起動させる際、界磁遮断器36は、遮断器制御部40による制御下で、自己励磁現象により発電機端子電圧が閾値Vth(図5参照)まで上昇したときに閉じられる。なお、閾値Vthは、同期発電機12の定格電圧であってもよい。
これにより、界磁巻線12Bの残留磁気を利用した自己励磁現象によって同期発電機12を起動する際、発電機端子電圧が閾値Vthに達したときに界磁遮断器36を閉じることで、発電機端子電圧Vの過度な上昇を防止できる。よって、同期発電機12の絶縁破壊を回避できる。

0042

一実施形態では、遮断器制御部40は、同期発電機12の端子電圧Vの検出値電圧検出器16から受け取り、該検出値と閾値Vthとの比較結果に基づいて界磁遮断器36の開閉制御を行う。すなわち、遮断器制御部40は、電圧検出器16で検出された端子電圧Vが閾値Vthに到達したときに界磁遮断器36を閉じる。

0043

なお、界磁遮断器36が閉じられる時点では既に十分な発電機端子電圧(Vth以上の電圧)が確保されているから、それ以降は同期発電機12(具体的には電機子巻線12A)から供給される電力によって界磁制御ユニット34を作動させて、励磁機30からの界磁電流を界磁巻線12Bに供給できる。

0044

また、幾つかの実施形態では、負荷遮断器52は、遮断器制御部40による制御下で、グリッド100から切り離された状態での同期発電機12の起動開始時に開かれ、界磁遮断器36の閉操作後であって且つ同期発電機12の端子電圧が安定したときに閉じられる。
電力供給を受けて作動する負荷50は一般にインダクタンス成分が大きいので、界磁遮断器36が閉じた状態では、負荷50のインダクタンス成分によって同期発電機12の自己励磁現象は抑制される。そこで、同期発電機12の起動開始時に負荷遮断器52を遮断器制御部40による制御下で開くことで、グリッド100から切り離された状態での自己励磁現象を利用した同期発電機12の起動を確実に行うことができる。また、同期発電機12の端子電圧が安定した後に負荷遮断器52を遮断器制御部40による制御下で閉じることで、同期発電機12で生成された電力によって負荷50を作動させることができる。

0045

また、図2に示す例示的な実施形態では発電機12は同期発電機であるが、発電機12は誘導発電機であってもよい。
図6は、一実施形態に係る洋上発電施設1の発電機周辺の構成を示す図である。同図に示すように、発電装置10の誘導発電機12は、インバータやコンバータ等の電力変換装置を介さずに海底ケーブル2Aに接続される電機子112Aと、グリッド100を電源として利用して励磁されるように構成された界磁112Bとを含む。図6に示す例示的な実施形態では、誘導発電機12は、海底ケーブル2A,2Bを介してグリッド100から励磁電流の供給を受ける電機子112Aとしての固定子と、該固定子からの電磁誘導によって励磁されるように構成された界磁112Bとしての回転子とを含む。誘導発電機12の通常運転時、電機子112(固定子)Aにはグリッド100側から励磁電流(無効電流)が供給され、電機子112Aからの電磁誘導によって界磁112(回転子)Bが励磁されるようになっている。
なお、誘導発電機112の界磁(回転子)112Bは、かご形回転子で構成されてもよいし、巻線形回転子で構成されてもよい。界磁(回転子)112Bが巻線形回転子で構成される場合、回転子巻線112Bに接続される可変抵抗を設け、該可変抵抗を制御することで回転子巻線112Bを流れる電流を調節可能としてもよい。

0046

図6に示すように発電機12が誘導発電機である場合にも、自己励磁現象を利用した発電機12の起動が可能である。すなわち、発電装置10がグリッド100から切り離された状態で、遮断器13を閉じて誘導発電機12を無励磁で運転すると、回転子112Bの残留磁気によって発電機端子電圧V0が生じ、海底ケーブル2A,2Bに起因する容量性負荷Cに充電電流I0が流れる。この充電電流I0は進み電流であるため、電機子反作用(増磁作用)により発電機端子電圧はV1まで高められ、これに伴って充電電流はI1まで増大する。こうして、端子電圧によって進み電流が発生し、進み電流が電機子反作用(増磁作用)によって端子電圧を高めるというサイクルが繰り返され、誘導発電機12の端子電圧は無負荷飽和曲線200と充電特性線300との交点Sまで上昇する。こうして、グリッド100から切り離された状況下であっても、自己励磁現象を利用して誘導発電機12を起動できる。

0047

次に、洋上発電施設1の運転方法について説明する。図7は、発電機12が同期発電機である場合における、一実施形態に係る洋上発電施設1の運転方法を示すフローチャートである。図8は、発電機12が誘導発電機である場合における、一実施形態に係る洋上発電施設1の運転方法を示すフローチャートである。

0048

発電機12が同期発電機である場合、図7に示すように、最初に、グリッド100から発電装置10を切り離し(ステップS2)、界磁遮断器36及び負荷遮断器52を開く(ステップS4)。この状態で、原動機11から機械的トルクを入力して、界磁12Bを電機子12Aに対して相対的に回転させる(ステップS6)。これにより、界磁12Bの残留磁気に起因した同期発電機12の自己励磁現象が起き、発電機端子電圧Vが上昇する。
そして、ステップS8において、発電機端子電圧Vが閾値Vth以上になったか否かを判定する。発電機端子電圧Vが閾値Vth未満であれば、発電機端子電圧Vが閾値Vthに到達するまでステップS8を繰り返す。発電機端子電圧Vが閾値Vth以上になったら、発電機端子電圧Vの過度な上昇に起因した同期発電機12の絶縁破壊を回避するため、界磁遮断器36を閉じる(ステップS10)。なお、ステップS10以降は、同期発電機12から供給される電力によって界磁制御ユニット34が作動し、界磁制御ユニット34による制御下で励磁機30からの界磁電流が界磁12Bに供給される。
この後、発電機端子電圧Vが安定したか否かを判定する(ステップS12)。発電機端子電圧Vが安定したら、ステップS14に進んで、負荷遮断器52を閉じる。これにより、同期発電機12で生成された電力によって負荷50を作動させることができる。

0049

一方、発電機12が誘導発電機である場合、図8に示すように、最初に、グリッド100から発電装置10を切り離し(ステップS102)、負荷遮断器52を開く(ステップS104)。この状態で、原動機11から機械的トルクを入力して、界磁112Bを電機子12Aに対して相対的に回転させる(ステップS106)。これにより、界磁12Bの残留磁気に起因した誘導発電機12の自己励磁現象が起き、発電機端子電圧Vが上昇する。
そして、ステップS108において、発電機端子電圧Vが安定したか否かを判定する。発電機端子電圧Vが安定したら、ステップS110に進んで、負荷遮断器52を閉じる。これにより、誘導発電機12で生成された電力によって負荷50を作動させることができる。

0050

以上説明したように、上述の実施形態では、発電装置10の発電機12の電機子12Aが比較的高い静電容量を有する海底ケーブル2Aに電力変換装置を介さずに接続されている。そのため、たとえ発電機12の界磁12Bが無励磁であっても、界磁12Bが電機子12Aに対して相対的に回転することで、界磁12Bの残留磁気に起因した自己励磁現象によって発電機端子電圧が上昇する。
よって、発電機12がグリッド100から切り離されてグリッド100からの電力供給が途絶えた状況下であっても発電機12を起動できるので、非常用電源設備以外の電源として発電機12を利用できる。

0051

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよく、上述した実施形態のうち複数を適宜組み合わせてもよい。

0052

なお、本明細書において、洋上発電施設とは、海洋上に設置される発電施設のみならず、フィヨルド港湾等の海洋に類似した場所に設置される発電施設をも包含する。また、本明細書において、海底ケーブルとは、海の底に敷設されるケーブルのみならず、湖、フィヨルド、港湾等の海に類似した場所の底に敷設されるケーブルをも包含する。

0053

1発電施設
2ローカルグリッド
3昇圧トランス
4バス
6サブステーション変圧器
10発電装置
11原動機
12発電機
12A電機子
12B界磁
16電圧検出器
20HVDC(高圧直流システム)
22直流送電路
24 SEC(交直変換器)
26 REC(直交変換器)
30励磁機
31界磁巻線
32整流器
34界磁制御ユニット
36界磁遮断器
40遮断器制御部
50負荷
52負荷遮断器
112A 電機子
112B 界磁

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