JP2021123919A

JP2021123919A - 水門用予備電源装置

Info

Publication number: JP2021123919A
Application number: JP2020017173A
Authority: JP
Inventors: 正典今関; Masanori Imazeki; 哲央早野; Tetsuhisa Hayano; 浩史馬場; Hiroshi Baba; 博文白木; Hirobumi Shiraki
Original assignee: IHI Infrastructure Systems Co Ltd
Current assignee: IHI Infrastructure Systems Co Ltd
Priority date: 2020-02-04
Filing date: 2020-02-04
Publication date: 2021-08-30
Anticipated expiration: 2040-02-04
Also published as: JP7394272B2

Abstract

【課題】停電中であっても水門制御用の電動機に十分な電力を供給することができる小型かつ安価な水門用予備電源装置を提供する。【解決手段】商用電源２０により直入始動される水門制御用の電動機Ｍに電力供給可能な水門用予備電源装置１０であって、二次電池１１の充放電電圧を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ１２と、直流回路ＬＤＣの直流電力を交流電力に変換して電動機Ｍに出力するインバータ１３と、直流回路ＬＤＣに設けられ、電動機Ｍの始動電流に相当するエネルギーを貯蔵可能な静電容量を有する電解コンデンサ１４と、備え、電解コンデンサ１４は、直流回路ＬＤＣを介して充電され、インバータ１３は、電動機Ｍを始動させる電力として電解コンデンサ１４に充電された電力を電動機Ｍに供給すると共に、電動機Ｍを駆動する電力として二次電池１１に充電された電力を前記電動機に供給する。【選択図】図２

Description

本発明は、水門用予備電源装置に関する。

河川や水路の堰、ダム等に設置されている水門設備は、台風などの豪雨による増水や地震による津波などの非常時でも確実に稼動させる必要がある。このような非常時においては、停電が発生する確率も高まるため、従来はディーゼルエンジンなどで駆動する発電機を非常用発電機として設けることにより、電力会社からの送電が遮断された場合であっても、水門設備に電力を供給できるよう構成されていることが多い。

例えば、特許文献１には、電力会社から電力が供給される電力系統と停電時に発電を行う発電機からの電力系統とを切り替え可能に構成された水門設備が開示されている。そして、特許文献１に開示された従来技術は、常時通電である第１の電気回路と必要時以外は非通電である第２の電気回路とが接続されるよう構成されていることにより、消費電力をできる限り抑制している。

特開２０１６−１０８７６３号公報

ところで、上記の従来技術においては、非常用電源としてディーゼル発電機を採用しているため、燃料交換等の定期メンテナンスや、万が一燃料が漏れ出た場合に被害の拡大を防止する防油堤の構築が必要となる他、二酸化炭素の排出や騒音を発生させてしまう。そのため、ディーゼル発電機に替えて、当該非常用電源をバッテリで構成する方法が考えられる。

一般的に、水門設備においては、商用電源から供給される交流電力により直入始動される電動機が採用されている。しかしながら、電動機は、定常的な動作で消費される定格電力の６倍程度の始動電力が必要になる。このため、停電に備える予備電源装置は、当該始動電力を供給可能な容量の発電機を採用しなければならず、小型かつ安価に構成することができない虞が生じる。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、停電中であっても水門制御用の電動機に十分な電力を供給することができる小型かつ安価な水門用予備電源装置を提供することにある。

＜本発明の第１の態様＞
本発明の第１の態様は、商用電源により直入始動される水門制御用の電動機に電力を供給可能な水門用予備電源装置であって、二次電池と、前記二次電池の充放電電圧を制御する第１電力変換部と、前記第１電力変換部から直流回路を介して出力される直流電力を交流電力に変換して前記電動機に出力する第２電力変換部と、前記直流回路に設けられ、前記電動機の始動電流に相当するエネルギーを貯蔵可能な静電容量を有する蓄電素子と、備え、前記蓄電素子は、前記直流回路を介して充電され、前記第２電力変換部は、前記電動機を始動させる電力として前記蓄電素子に充電された電力を前記電動機に供給すると共に、前記電動機を駆動する電力として前記二次電池に充電された電力を前記電動機に供給する、水門用予備電源装置である。

＜本発明の第２の態様＞
本発明の第２の態様は、上記した本発明の第１の態様において、前記商用電源から供給される交流電力を直流電力に変換し、前記直流回路に前記二次電池及び前記蓄電素子の充電電力を出力する第３電力変換部、を備える水門用予備電源装置である。

本発明によれば、停電時であっても水門制御用の電動機に十分な電力を供給することができる小型かつ安価な水門用予備電源装置を提供することができる。

本発明に係る水門用予備電源装置が設けられる水門設備を示す全体構成図である。本発明に係る水門設備の電源構成を示す回路図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施の形態の説明に用いる図面は、いずれも構成部材を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、又は省略などを行なっており、構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。

図１は、本発明に係る水門用予備電源装置１０が設けられる水門設備１を示す全体構成図である。水門設備１は、河川や水路の堰、ダム等における流路に設置されることにより、必要に応じて当該流路を開放又は閉鎖する。水門設備１は、本実施形態においては、例えば用水路に設けられ、揚程が１〜２ｍ程度の比較的小型の水門として例示され、全体構成として、水門構２、扉体３、ラック４、開閉装置５、及び水門用予備電源装置１０を備える。

水門構２は、例えば用水路を跨ぐように配置された構造体である。扉体３は、昇降自在に設けられることにより用水路の流路を開放又は閉鎖する。ラック４は、扉体３を吊り下げると共に、いわゆるラック・ピニオン機構により鉛直方向に往復移動することにより、扉体３を開閉させる。開閉装置５は、ラック４を駆動する電動機Ｍを含み、商用電源２０（図１では図示を省略）から交流電力が供給されることにより扉体３の開閉制御を行う。水門用予備電源装置１０は、詳細を後述するように、商用電源２０が停電した場合に、開閉装置５に電力を供給することができる非常用電源である。

尚、水門設備１は、本実施形態においてはラック式の開閉機構を例示しているが、ワイヤロープウインチ式、スピンドル式、チェーン式、ボールスクリュージャッキ式など、種々の駆動方式を採用してもよい。

ここで、水門設備１は、本実施形態においては、開動作及び閉動作の所要時間がそれぞれ１０分であるものとする。また、電動機Ｍは、定常状態において要求される定格出力が１．２ｋＷであるものとする。ただし、電動機Ｍは、商用電源２０から直接供給される交流電力により直入始動される駆動方式であるため、始動時には瞬間的に１．２ｋＷの６倍の７．２ｋＷ程度の電力が必要となる。また、開動作及び閉動作のそれぞれに要求される電力量は、１．２ｋＷ×１０min＝０．２ｋＷｈとなる。

すなわち、商用電源２０が停電した場合に電動機Ｍに電力を供給する非常用電源には、始動電力を考慮して７．２ｋＷを出力することが要求される。このとき、仮に出力電流が４５Ａｈで出力電圧が４８Ｖのバッテリを８個直列に接続して出力電圧が３６０Ｖとなるように非常用電源を構成した場合には、出力可能な電力量が１６ｋＷｈに達するため、要求電力量の０．２ｋＷｈに対しオーバースペックとなってしまう。

また、出力電圧が４８Ｖのバッテリを１台だけ使用し、ＤＣ／ＤＣコンバータにより出力電圧を昇圧することにより、所望の出力電圧の非常用電源を構成することも考えられる。しかしながら、この場合には、高出力の高価なＤＣ／ＤＣコンバータを使用するか、又は低出力のＤＣ／ＤＣコンバータを複数並列に接続する必要が生じ、小型かつ安価に非常用電源を構成することができない虞が生じる。

そこで、本発明に係る水門用予備電源装置１０は、以下に詳細を説明するように、停電中であっても電動機Ｍの駆動に必要な十分な電力を供給可能にしつつ、バッテリの電力容量、及びＤＣ／ＤＣコンバータの出力容量を共に抑制することで、小型かつ安価な非常用電源として構成される。

図２は、本発明に係る水門設備１の電源構成を示す回路図である。開閉装置５が備える電動機Ｍは、商用電源２０から交流回路Ｌ_ＡＣを介してＡＣ２００Ｖ３φの電力が直接供給される。開閉装置５への電力供給は、交流回路Ｌ_ＡＣのライン上に設けられる第１スイッチＳＷ１により断接を切り替えることができる。そして、停電でない平時においては第１スイッチＳＷ１がＯＮ状態に維持されることにより商用電源２０から開閉装置５へ電力が供給され、操作員が第３スイッチＳＷ３をＯＮ状態にすることで電動機Ｍへ電力が供給される。尚、第３スイッチＳＷ３は、水門扉を開閉させる操作盤のスイッチである。停電中においては第１スイッチＳＷ１がＯＦＦに制御されることにより商用電源２０との導電路が遮断される。

そして、水門用予備電源装置１０は、交流回路Ｌ_ＡＣに対して並列となるように設けられ、二次電池１１、「第１電力変換部」としてのＤＣ／ＤＣコンバータ１２、「第２電力変換部」としてのインバータ１３、「蓄電素子」としての電解コンデンサ１４、及び「第３電力変換部」としてのＡＣ／ＤＣコンバータ１５を含む。

二次電池１１は、例えば定格出力が４８Ｖ、１．２ｋＷのリチウムイオン電池であり、停電中において電動機Ｍを駆動させる必要が生じた場合の電力供給源である。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、１．２ｋＷの定格出力を有するＣＣＣＶ制御(Constant Current, Constant Voltage)の双方向コンバータであり、二次電池１１の充放電電圧を制御する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、二次電池１１の出力電圧を３６０Ｖまで昇圧させて直流回路Ｌ_ＤＣに出力する。インバータ１３は、３．７ｋＷの定格出力を有し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２から直流回路Ｌ_ＤＣを介して出力される直流電力を交流電力に変換して開閉装置５に出力することで、停電時であっても開閉装置５の駆動に必要な電力を供給することができる。

ここで、インバータ１３と開閉装置５との間には第２スイッチＳＷ２が設けられ、停電中においては第２スイッチＳＷ２がＯＮ制御されることにより開閉装置５への電力供給が許可され、停電でない平時においては第２スイッチＳＷ２がＯＦＦ制御されることにより開閉装置５への導電路が遮断される。

電解コンデンサ１４は、直流回路Ｌ_ＤＣに設けられ、電動機Ｍの始動電流に相当するエネルギーを貯蔵可能な静電容量を有する。より具体的には、電解コンデンサ１４は、本実施形態においてはＣ＝０．１４４Ｆの静電容量を有し、直流回路Ｌ_ＤＣの電圧に応じて充放電される。尚、蓄電素子から直流回路Ｌ_ＤＣへの放電出力が２．４ｋＷまでであれば、本実施形態のように電解コンデンサ１４で対応することが可能であるが、２．４ｋＷから７．５ｋＷまでの出力範囲に対応させるためには、電解コンデンサ１４に替えて電気二重層キャパシタが採用される場合もある。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１５は、停電でない平時において二次電池１１を充電する必要がある場合に、商用電源２０から供給される交流電力を直流電力に変換し、二次電池１１の充電電力として直流回路Ｌ_ＤＣに出力する。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、直流回路Ｌ_ＤＣの電圧を充電に適した電圧に降圧して二次電池１１へ供給することにより、停電に備えて二次電池１１を充電しておくことができる。また、電解コンデンサ１４は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電圧に応じた電圧で充電される。

次に、水門用予備電源装置１０の動作について、より詳細に説明する。水門設備１は、上記のように、停電でない平時においては、第１スイッチＳＷ１をＯＮ、第２スイッチＳＷ２をＯＦＦにすることで、商用電源２０から開閉装置５へ電力を供給可能な状態を維持する。このとき、二次電池１１は停電に備えて満充電に維持されると共に、直流回路Ｌ_ＤＣ及び電解コンデンサ１４は２７０Ｖに維持されている。

一方、停電が生じた場合には、水門設備１は、第１スイッチＳＷ１をＯＦＦ、第２スイッチＳＷ２をＯＮに制御されることで、水門用予備電源装置１０から開閉装置５へ電力を供給できるよう電力系統を予備電源に切り替える。

そして、停電中に水門の開閉制御が必要となった場合には、水門用予備電源装置１０は、インバータ１３の出力制御を停止した状態で、二次電池１１が出力する４８Ｖの直流電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ１２により３６０Ｖまで昇圧して直流回路Ｌ_ＤＣに出力する。これにより、電解コンデンサ１４は、直流回路Ｌ_ＤＣの電圧が上昇した分だけ充電量が増加することになる。ここで、電解コンデンサ１４に蓄えられるエネルギーＥは、Ｅ＝１／２×Ｃ×Ｖ^２[Ｊ=Ｗ・s]で表されることから、インバータ１３が電動機Ｍを駆動し得る最低の電圧２４０Ｖに対する電解コンデンサ１４のエネルギーＥは、Ｅ＝１／２×（０．１４４）×（３６０^２−２４０^２）＝５．２ｋＷｓに相当する電力量となる。尚、電解コンデンサ１４の充電は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の定格出力により約３秒で完了する。

次に、インバータ１３は、電解コンデンサ１４の充電が完了したことを条件として、直流回路Ｌ_ＤＣに出力された直流電力を交流電力に変換して開閉装置５への電力供給を開始する。このとき、第３スイッチＳＷ３をＯＮにすることにより電動機Ｍを直入始動させる場合、電動機Ｍの始動には上記のように７．２ｋＷの電力が必要であるが、インバータ１３は電力を瞬時に２００％まで出力することができるため、始動時の０．５秒間に直流回路Ｌ_ＤＣに３．６ｋＷｓの電力を出力できれば電動機Ｍを始動させることができる。そして、インバータ１３から電動機Ｍへの電力供給が開始されるタイミングにおいて、上記電解コンデンサ１４に蓄えられるエネルギーＥ＝５．２ｋＷｓに相当する電力を放電することができるため、直入始動の電動機Ｍであっても十分に駆動することができる。

また、電解コンデンサ１４から電動機Ｍの始動電力に相当する電力が放電された後は、直流回路Ｌ_ＤＣの電圧が低下するものの、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力により２４０Ｖ以上に維持することにより、水門の開閉制御が完了するまでは開閉装置５の駆動に必要な定格電圧を供給することができる。

つまり、電動機Ｍは、始動に必要な電力量を電解コンデンサ１４からの放電により賄うことにより、二次電池１１からＤＣ／ＤＣコンバータ１２を介して供給される電力を、定常的な駆動に必要な最小限の定格電力に抑え、二次電池１１の電力容量、及びＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力容量を共に抑制することができる。

そして、水門の開閉制御が完了した後、商用電源２０の停電が復旧した場合には、第１スイッチＳＷ１をＯＮ、第２スイッチＳＷ２をＯＦＦにすることで、電動機Ｍへの電力系統を水門用予備電源装置１０から商用電源２０へ復帰させる。このとき、二次電池１１及び電解コンデンサ１４は、電力が消費された状態にあるため、次の停電に備えて再び充電される。

以上のように、本発明に係る水門用予備電源装置１０によれば、商用電源２０の停電中において電動機Ｍの駆動が必要な場合に、直流回路Ｌ_ＤＣを介して二次電池１１の電力で電解コンデンサ１４を充電し、二次電池１１と共に放電することにより電動機Ｍへの電力供給を行う。これにより、水門用予備電源装置１０は、電動機Ｍの直入始動時に瞬間的に必要となる電力を電解コンデンサ１４で賄うことができ、二次電池１１の電力容量とＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力容量を抑制することができる。従って、本発明によれば、停電中であっても水門制御用の電動機Ｍに十分な電力を供給することができる小型かつ安価な水門用予備電源装置１０を提供することができる。

以上で本発明に係る水門用予備電源装置の実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。例えば上記の実施形態では、水門の開制御及び閉制御のそれぞれにおいて電動機Ｍへ電力供給する態様を例示したが、開閉機構が例えばラック式、又はワイヤロープウインチ式の場合には、水門の閉制御において、電動機Ｍの回生トルクに応じた速度で扉体３を下降させながら二次電池１１に電力を回収してもよい。

１水門設備
２水門構
３扉体
４ラック
５開閉装置
１０水門用予備電源装置
１１二次電池
１２ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３インバータ
１４電解コンデンサ
１５ＡＣ／ＤＣコンバータ
２０商用電源
Ｍ電動機
Ｌ_ＡＣ交流回路
Ｌ_ＤＣ直流回路
ＳＷ１第１スイッチ
ＳＷ２第２スイッチ
ＳＷ３第３スイッチ

Claims

商用電源により直入始動される水門制御用の電動機に電力を供給可能な水門用予備電源装置であって、
二次電池と、
前記二次電池の充放電電圧を制御する第１電力変換部と、
前記第１電力変換部から直流回路を介して出力される直流電力を交流電力に変換して前記電動機に出力する第２電力変換部と、
前記直流回路に設けられ、前記電動機の始動電流に相当するエネルギーを貯蔵可能な静電容量を有する蓄電素子と、備え、
前記蓄電素子は、前記直流回路を介して充電され、
前記第２電力変換部は、前記電動機を始動させる電力として前記蓄電素子に充電された電力を前記電動機に供給すると共に、前記電動機を駆動する電力として前記二次電池に充電された電力を前記電動機に供給する、水門用予備電源装置。
前記商用電源から供給される交流電力を直流電力に変換し、前記直流回路に前記二次電池及び前記蓄電素子の充電電力を出力する第３電力変換部、を備える請求項１に記載の水門用予備電源装置。