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ディーゼル発電機（DG）（ディーゼル発電機セットとも呼ばれる）は、ディーゼルエンジンと発電機（多くの場合オルタネーター）を組み合わせて電気エネルギーを生成する装置である。[ 1 ]これはエンジン発電機の特殊なケースである。ディーゼル圧縮着火エンジンは通常、ディーゼル燃料で稼働するように設計されているが、一部のタイプは他の液体燃料や天然ガス（CNG）に対応している。[ 2 ]
ディーゼル発電機は、電力網に接続されていない場所や、電力網が故障した場合の非常用電源として使用されるほか、ピークカット、系統サポート、電力網への送電などのより複雑な用途にも使用されます。[ 2 ]
ディーゼル発電機のサイズは、低負荷や電力不足を最小限に抑える上で非常に重要です。サイズ選定は、現代の電子機器の特性、特に非線形負荷によって複雑化します。出力が50MW以上の場合、開放型ガスタービンは、ディーゼルエンジンアレイよりも全負荷時の効率が高く、はるかにコンパクトで、設備投資コストも同程度です。しかし、通常の部分負荷運転では、これらの出力レベルであっても、効率が優れているため、開放型ガスタービンよりもディーゼルアレイが好まれる場合があります。
ディーゼル発電機は、電源コンセントを通して半連続的な電力の流れを供給します。
ディーゼルエンジン、発電機、および各種補助装置（ベース、キャノピー、遮音装置、制御システム、遮断器、ジャケット式温水器、始動システムなど）をパッケージ化したものを「発電機セット」または略して「発電機セット」と呼びます。
セットのサイズは、家庭、小規模店舗、オフィス向けに 8 ～ 30 kW (単相で 8 ～ 30 kVA ) まで、オフィスビル、工場、その他の産業施設向けには 8 kW (11 kVA) から 2,000 kW (三相で 2,500 kVA) までの大型産業用発電機があります。2,000 kW セットは、燃料タンク、制御装置、配電機器、および独立型発電所として、またはグリッド電源のスタンバイバックアップとして動作するために必要なその他のすべての機器とともに、 40フィート (12 m) ISO コンテナに収容できます。これらのユニットは、パワー モジュールと呼ばれ、85,000 ポンド (38,555 kg)以上の重量の大型 3 軸トレーラーに搭載された発電機セットです。
これらのモジュールの組み合わせは小規模発電所に使用され、1つの発電セクションあたり1～20個のユニットを使用する場合があります。これらのセクションを組み合わせることで、数百個の発電モジュールを構成できます。より大規模な発電所では、発電モジュール（エンジンと発電機）はトレーラーで現場に別々に運ばれ、太いケーブルと制御ケーブルで接続され、完全な同期発電プラントを形成します。また、自動起動や主電源並列運転用の制御盤、固定式または移動式アプリケーション用の防音キャノピー、換気装置、燃料供給システム、排気システムなど、特定のニーズに合わせてカスタマイズできるオプションもいくつか用意されています。
ディーゼル発電機は非常用電源としてだけでなく、ピーク時や大型発電機が不足している時期に電力網に電力を供給するという二次的な役割も担うことがある。英国では、このプログラムは国営送電網によって運営されており、STORと呼ばれている。
船舶ではディーゼル発電機もよく使用され、照明やファンなどの補助電源としてだけでなく、間接的に主推進力としても使用されることがあります。電気推進の場合、発電機を便利な場所に設置できるため、より多くの貨物を運搬できます。船舶用の電気駆動装置は第一次世界大戦前に開発されました。第二次世界大戦中に建造された多くの軍艦では、大型減速機の製造能力が電気機器の製造能力に比べて不足していたため、電気駆動装置が指定されました。[ 2 ]このようなディーゼル電気方式は、鉄道機関車などの非常に大きな陸上車両にも使用されています。
発電機セットは、供給対象となる電力負荷、電力特性（ kW、kVA、var、高調波成分、サージ電流（例：モータ始動電流）、非線形負荷など）に基づいて選定されます。また、想定される運転用途（非常用、常用、連続運転など）や環境条件（高度、温度、排気ガス規制など）も考慮する必要があります。
大手発電機メーカーのほとんどは、設置場所の状況と接続された電気負荷の特性を入力するだけで、複雑な容量計算を実行できるソフトウェアを提供している。
電力網に接続せずに運転される1台以上のディーゼル発電機は、独立運転モードと呼ばれます。発電機を並列運転することで冗長性が得られ、部分負荷時の効率も向上します。発電所は、その時点での系統需要に応じて発電機セットをオンラインにしたりオフラインにしたりします。孤立したコミュニティの主要電源として設計された独立型発電所には、通常、少なくとも3台のディーゼル発電機が設置され、そのうち2台は必要な負荷を供給できる定格容量を備えています。最大20台の発電機で構成されるグループも珍しくありません。
発電機は同期プロセスによって電気的に接続できます。同期とは、発電機をシステムに接続する前に、電圧、周波数、位相を一致させることです。接続前に同期が不十分だと、短絡電流が大きかったり、発電機やその開閉装置が摩耗したりする可能性があります。同期プロセスは、自動同期モジュールによって自動的に行うことも、指示を受けたオペレーターが手動で行うこともできます。自動同期モジュールは、発電機と母線電圧から電圧、周波数、位相のパラメータを読み取り、エンジンガバナーまたはECM（エンジン制御モジュール）を介して速度を調整します。
並列運転する発電機間で負荷を分担することで、負荷分散が可能になります。負荷分散は、発電機の周波数によって制御されるドループ速度制御を用いることで実現できます。同時に、エンジンの燃料制御を常に調整し、残りの電源との間で負荷を切り替えます。ディーゼル発電機は、燃焼システムへの燃料供給が増加するとより多くの負荷を受け止め、燃料供給が減少すると負荷が解放されます。
ディーゼル発電機は、停電時の電力供給源としての役割がよく知られているだけでなく、世界中の主要電力網を日常的に2つの異なる方法で支えている。
病院や浄水場などで使用されているような非常用ディーゼル発電機は、二次的な機能として、米国では広く使用されており、近年では英国でもさまざまな理由でそれぞれの国の電力網をサポートするために使用されています。英国では、短期運用予備力と呼ばれる入札価格がかなり変動しており、2012年以降、主にオンサイトディーゼルの使用を伴う需要側参加の量は、入札価格の低下に伴って減少しています。ピーク負荷が約60 GWのナショナルグリッドをサポートするために、0.5 GWのディーゼル発電機が使用されたこともあります。これらは200 kWから2 MWの範囲の規模の発電機です。これは通常、たとえば、660 MWの大規模な従来型発電所が突然停止した場合や、通常の回転予備力が侵食されるような電力需要の突然の予期せぬ増加があった場合に発生します。[ 1 ]
これは双方にとって有益です。ディーゼル発電機は既に他の理由で購入されていますが、信頼性を確保するためには十分な負荷試験が必要です。系統並列運転は、これを実現する便利な方法です。この運用方法は通常、発電機の運用管理と系統運用者との連携を行う第三者機関によって実施されます。
これらのディーゼル発電機は、場合によってはわずか2分で並列運転を開始でき、現場への影響もありません（オフィスや工場を停止する必要はありません）。これは、冷間状態から12時間かかるベースロード発電所よりもはるかに速く、数分かかるガスタービンよりも速いです。ディーゼル燃料は燃料費が非常に高いものの、この用途で使用されるのは年間数百時間程度であり、ディーゼル燃料が利用可能であれば、部分負荷で非効率的に連続運転するベースロード発電所の必要性を回避できます。使用されるディーゼル燃料は、いずれにせよ試験で使用される予定だった燃料です。
英国では、ナショナル・グリッドは、予想される全国的な電力需要のピーク時に、年間約10～40時間、バックアップディーゼル発電機を自主的に稼働させることで、顧客需要を約2GW削減できると見込んでいます。ナショナル・グリッドはこれらのディーゼル発電機を制御していません。顧客は、全国的な電力需要のピークとなる3つの30分間に、各発電所の消費量に対してのみ課される「トライアド」送電網使用料（TNUoS）を回避するために、これらのディーゼル発電機を稼働させています。全国的な電力需要のピークとなる3つの30分間（「トライアド」期間）がいつになるかは事前にわからないため、顧客は年間3回よりもはるかに多くの30分間、ディーゼル発電機を稼働させる必要があります。
英国における信頼性の高い予備発電設備の総容量は約 20 GW と推定されており、そのほぼすべてがディーゼルエンジンによって駆動されています。これは英国の系統ピークの約 29% に相当しますが、同時に発電されるのはごく一部にすぎません。ほとんどの発電所は、大規模なオフィスビル、病院、スーパーマーケット、空港など継続的な電力供給が重要なさまざまな施設向けです。そのため、ほとんどは都市部、特に都市や商業中心地にあります。発電所の約 10% が 1 MW を超え、約 50% が 200 kW ～ 1 MW の範囲にあり、残りの 40% が 200 kW 未満であると推定されています。増加傾向にありますが、ピークカットに定期的に使用されるのはごく一部にすぎず、大部分は予備発電のみに使用されていると考えられています。この段落の情報は、政府報告書「配電網をサポートするための分散型発電のスケジューリングに対する障壁の克服」[ 3 ]のセクション 6.9 から引用されています。
英国では、風力発電所などの再生可能エネルギー源からの変動する出力のバランスを取るために、ディーゼル発電機群（「ディーゼルファーム」として知られる）の利用が増加している。[ 4 ]
英国の短期運転予備力制度と同様のシステムがフランスでも運用されている。これはEJPと呼ばれ、電力網に負荷がかかる際には、特別料金制度によって少なくとも5GWのディーゼル発電機を稼働させることができる。この場合、ディーゼル発電機の主な役割は電力網への電力供給である。
電力網と同期した通常運転中、発電所は5%のドループ速度制御で制御されます。これは、全負荷速度が100%、無負荷速度が105%であることを意味します。これは、発電所のハンチングや停止を起こさずに電力網を安定的に運用するために必要なものです。通常、速度の変化はわずかです。出力の調整は、遠心ガバナーのばね圧力を上げてドループ曲線をゆっくりと上げることで行われます。一般的に、これはすべての発電所にとって基本的なシステム要件です。なぜなら、古い発電所と新しい発電所は、外部通信に頼ることなく、周波数の瞬間的な変化に対応して互換性を持つ必要があるからです。[ 5 ]
ディーゼル発電所の所有および運転コストの大部分は燃料消費量であり、電力用途では燃料消費量が主な要因である一方、バックアップ発電機では設備投資コストが主な懸念事項である。比燃料消費量は変動するが、最新のディーゼル発電所は、ほぼ最適な65～70%の負荷で、1リットルあたり少なくとも3kWh（燃料効率比約30% ）を発電する。[ 6 ] [ 7 ]
発電機は、想定される電力を確実に、かつ損傷なく供給する必要があり、これは製造元が特定の発電機セットモデルに1つ以上の定格を与えることによって実現されます。スタンバイ発電機として使用される特定の発電機モデルは、年間数時間しか稼働する必要がないかもしれませんが、同じモデルを常用発電機として使用する場合は、連続運転する必要があります。スタンバイ発電機は、稼働中、想定される短時間の運転時間に対して許容される特定の過負荷（例えば10%）で運転される場合があります。同じモデルの発電機でも、連続運転よりもスタンバイ運転の方が高い定格を持ちます。製造元は、国際的に合意された定義に基づいて、各セットに定格を与えます。
これらの標準定格定義は、メーカー間の妥当な比較を可能にし、メーカーが自社製品の定格を誤って記載することを防ぎ、設計者を支援するために策定されたものです。
発電機定格の定義
待機定格は、通常の停電期間中の非常用電源供給に適用されます。この定格では、持続的な過負荷能力はありません（ISO3046、AS2789、DIN6271、BS5514 の燃料停止電力に相当）。公称定格です。
典型的な用途：病院、オフィス、工場などの非常用電源。送電網には接続されていません。
プライム（無制限運転時間）定格：建設用電力用途には使用しないでください。出力は、負荷が変動しても無制限の時間利用可能です。標準的なピーク需要は、プライム定格ekWの100%で、12時間のうち最大1時間、緊急時に10%の過負荷容量を備えています。10 %の過負荷容量は、限られた時間のみ利用可能です（ISO8528のプライム電力、およびISO3046、AS2789、DIN6271、BS5514の過負荷電力に相当）。この定格は、すべての発電機セットモデルに適用されるわけではありません。
典型的な用途としては、発電機が遠隔地の鉱山や建設現場、遊園地、フェスティバルなどの唯一の電源となる場合などが挙げられます。
ベースロード（連続）定格：無制限の時間、定格出力までの一定負荷に連続的に電力を供給する場合に適用されます。この定格では、持続的な過負荷に対する対応能力はありません。定格については、認定販売代理店にお問い合わせください（ISO8528、ISO3046、AS2789、DIN6271、およびBS5514による連続電力に相当）。この定格は、すべての発電機セットモデルに適用されるわけではありません。
典型的な用途としては、一定負荷で連続運転する発電機、または主電源と並列接続され、 年間最大許容負荷である8,760時間連続して電力を供給する発電機が挙げられます。これは、ピーク負荷削減や系統サポートに使用される発電機にも適用されます。ただし、これらの用途は 年間わずか200時間程度にとどまる場合もあります。
例えば、ある機種で待機電力定格が1000kWの場合 、常用電力定格は850kW 、連続定格は 800kWとなる可能性があります。ただし、これらの定格値はメーカーによって異なるため、メーカーのデータシートを参照する必要があります。
多くの場合、機器のデータプレートには3つの定格すべてが刻印されているが、待機定格のみ、あるいは常用定格のみが記載されている場合もある。
しかし、一般的には、セットのサイズを決定するのは定格値そのものではなく、接続する必要のある最大負荷の大きさと許容される最大電圧降下です。セットがモーターの始動に必要となる場合、セットは通常最初に始動される最大モーターの少なくとも3倍の容量を持つ必要があります。つまり、選択したセットの定格値に近い状態で動作することはまずないということです。
多くの発電機メーカーは、あらゆる負荷の組み合わせに対して適切な発電機を選択できるソフトウェアプログラムを提供しています。発電機のサイズ選定は、設置場所の状況と、発電機で電力供給される機器、装置、デバイスの種類に基づいて行われます。[ 8 ]
ディーゼル燃料はディーゼルエンジンにちなんで名付けられたのであって、その逆ではありません。ディーゼルエンジンは単なる圧縮着火エンジンであり、構成や場所に応じてさまざまな燃料で動作できます。ガス網への接続が可能な場所では、ガス網はほぼすべての停電時に加圧状態を維持するため、ガスがよく使用されます。これは、吸気とともにガスを導入し、少量のディーゼル燃料を着火に使用することによって実現されます。100%ディーゼル燃料での運転への切り替えは瞬時に可能です。[ 9 ]
より地方の状況や低負荷率の発電所では、原油由来のディーゼル燃料が一般的な燃料です。重油よりも凍結しにくいからです。航続時間はタンクのサイズによって制限されます。ディーゼルエンジンは、天然ガス、アルコール、ガソリン、木質ガスから燃料油、ディーゼル油から室温ではラードのような安価な残渣燃料まで、あらゆる種類の原油留分で動作できます。残渣燃料は、燃料ラインを流れるようにするために加熱する必要があります。[ 10 ]
出力が約3MWeから30MWeまでの大型エンジンでは、精製工程の最終段階で得られるタールなどの重油が使用されることがある。燃料油を加熱して流動性を確保しつつ、過熱による火災リスクを軽減するという若干の複雑さが加わるため、これらの燃料は、小規模で無人運転の発電所ではあまり好まれない。
その他の燃料としては、バイオディーゼル、植物油、動物性脂肪および獣脂、グリセリン、石炭水スラリーなどが考えられます。これらの燃料は、その組成上、エンジンを適切に調整しないとエンジンの寿命に悪影響を及ぼすため、慎重に使用する必要があります。例えば、石炭水スラリーを使用するエンジンは、高密度の燃料を必要な短時間（1秒未満）で噴射できるように、より大きなインジェクターに改造されることがよくあります。獣脂、植物油、パラフィンワックスなどの他の高粘度燃料は、燃料を予熱して粘度を標準ディーゼル燃料の範囲まで下げれば、標準の燃料インジェクターで使用できます。ルドルフ・ディーゼルが1900年の万国博覧会のために設計・製造したエンジンは、彼のシステムを使用する現代のエンジンのほとんどとは異なり、石油製品ではなくピーナッツ油を燃料としていました。