(57)【要約】  【課題】外部電源の停電または電圧低下時にも負荷への電力供給を滞りなく行うことができる電力システムを提供する。  【解決手段】直流電圧部としての電源結合部５０の電圧検出手段と、外部電源３０の正常時に、電源結合部５０の電圧検出値を目標値に維持するようにコンバータ４０を介した発電機２０の発電量を制御するための加算器７２、調節器７３等の制御手段と、前記発電量を所定値に制限するリミッタ７４と、前記目標値（前記電圧検出値）を外部電源３０の正常時の出力電圧以上に維持する外部電源３０内のダイオードとを備え、リミッタ７４により制限された発電量が負荷１０の要求電力に満たない場合には、前記電圧検出値が目標値よりも低下して外部電源３０から不足電力が負荷１０に供給されるように構成されており、前記電圧検出値が所定値よりも低下したことをもって外部電源３０の停電または電圧低下を検出する。【選択図】図２
2006180662.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機と、この発電機を駆動する駆動源と、前記発電機の発電量を制御するコンバータと、このコンバータから電源結合部を介して電力が供給される負荷と、前記電源結合部に結合された外部電源と、を備えると共に、
負荷に供給するべき全電力を前記発電機及び外部電源により分担して供給可能とした電力システムにおいて、
前記外部電源の停電または電圧低下時に、負荷に供給するべき全電力を前記発電機から供給することを特徴とする電力システム。
【請求項２】
請求項１に記載した電力システムにおいて、
直流電圧部としての前記電源結合部の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記外部電源の正常時に、前記電圧検出手段による電圧検出値を目標値に維持するように前記発電量を制御する制御手段と、
前記発電量を所定値に制限する制限手段と、
前記目標値を前記外部電源の正常時における出力電圧以上に維持する手段と、を備え、
前記制限手段により制限された発電量が負荷の要求する全電力に満たない場合には、前記電圧検出値が前記目標値よりも低下して前記外部電源から不足電力が前記負荷に供給されるように構成されていると共に、
前記電圧検出値が前記外部電源の正常時における出力電圧よりも低下したことにより前記外部電源の停電または電圧低下を検出することを特徴とする電力システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載した電力システムにおいて、
前記外部電源の停電または電圧低下時に、前記制限手段により前記発電量の制限値を増大させることにより、負荷に供給するべき全電力を前記発電機から供給することを特徴とする電力システム。
【請求項４】
請求項３に記載した電力システムにおいて、
負荷に供給するべき全電力を前記発電機から供給した後、必要に応じて前記制限値を減少させた時に、前記電圧検出値が前記外部電源の正常時における出力電圧よりも低下したことにより前記外部電源の停電または電圧低下を検出することを特徴とする電力システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機と外部電源との二種類の電源から負荷へ電力を供給可能とした電力システムに関し、詳しくは、外部電源が停電または電圧低下した場合でも負荷への電力供給を滞りなく行うことができる電力システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図３は、第１の従来技術を示す概略的な構成図である。
図３に示す電力システムは、負荷１０に対して、発電機２０と外部電源３０との二つの電源が用意されており、これらの発電機２０及び外部電源３０から負荷１０への供給電力を適切に調整できるよう構成されている。
【０００３】
発電機２０は、駆動源６０により与えられる外力から仕事量を得て交流電力を発電し、その発電量は、コンバータ４０によって制御可能となっている。図３の例では、コンバータ４０は発電機２０の交流発電量を制御して直流電力に変換し、この直流電力が負荷１０によって消費されることとなる。
【０００４】
一方、コンバータ４０と負荷１０との結合部である電源結合部５０には、外部電源３０も接続されている。コンバータ４０から電源結合部５０に供給される電力は直流であるため、外部電源３０も直流電源である。
【０００５】
いま、負荷１０の電力がある値ＰＬであるものとして、コンバータ４０の出力電力ＰＣが負荷電力ＰＬよりも小さい値に制御されている場合には、不足分の電力である（ＰＬ−ＰＣ）が外部電源３０から供給される。すなわち、負荷１０に供給するべき全電力は、発電機２０及びコンバータ４０と外部電源３０とにより分担して供給可能である。
【０００６】
このような構成とすることにより、例えば駆動源６０が本システムの発電機２０以外にも機械的負荷（図示せず）を有しており、一時的にその機械的負荷に動力の多くを供給したい場合には、発電機２０の発電量をコンバータ４０により調整して低減し（駆動源６０からみた発電機２０の負荷を低減し）、駆動源６０が他の機械的負荷に余剰の動力を供給すると共に、負荷１０が要求する電力のうち不足分については、外部電源３０から供給するような運用を行うことができる。
また、例えば、負荷１０の電力が発電機２０の発電能力を超えた場合には、発電機２０及び駆動源６０に負担がかからないようにコンバータ４０によって発電機２０の発電量を調整すれば、発電機２０等が過負荷になるおそれがなく、同時に不足分の電力を外部電源３０から供給することも可能である。
【０００７】
図４は、図３の主要部の具体例を示す回路図である。
図４に示す如く、外部電源３０は、例えば商用の交流電源に接続された整流器としてのダイオードブリッジにより実現可能であり、また、コンバータ４０は、交流側が発電機２０に接続される三相ＰＷＭコンバータによって実現可能である。ここで、コンバータ４０の直流出力部にはコンデンサＣが接続されている。
【０００８】
なお、図４に示したような基本的構成の電力システムは、例えば後述の特許文献１に係る「ヒートポンプ装置」に記載されている。
【０００９】
次に、図５は第２の従来技術を示す概略的な構成図である。
この従来技術は電源結合部５１への供給電力を交流としたものであり、この場合には、外部電源３１の出力及びコンバータ４１の出力が何れも交流となる。ここで、外部電源３１としては、例えば商用電源が直接用いられる。
また、負荷１１は、電源結合部５１から交流電力を受電する。
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−１６１５４１号公報（図２，図３等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述した各従来技術では、外部電源３０または３１の停電時に以下のような不都合を生じる。
すなわち、例えば図３、図４の従来技術において、コンバータ４０の出力電力ＰＣが負荷電力ＰＬより小さい場合には、外部電源３０からの供給電力が停電によってゼロになれば必要な負荷電力を賄うことができなくなり、電源結合部５０の電圧が著しく低下したり、その影響によってコンバータ４０や負荷１０がそれらの保護機能によって停止してしまうおそれがある。
また、外部電源３０または３１が停電に至らずとも電圧低下した場合にも、電力の供給能力が低下するため、同様な問題が発生する。以下では、停電または電圧低下をまとめて停電と呼ぶ。
このような不都合は、図５の従来技術にも当てはまる問題である。
【００１２】
そこで本発明の解決課題は、外部電源の停電時にも負荷への電力供給を滞りなく行うことができる電力システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、発電機と、この発電機を駆動する駆動源と、発電機の発電量を制御するコンバータと、このコンバータから電源結合部を介して電力が供給される負荷と、電源結合部に結合された外部電源と、を備えると共に、
負荷に供給するべき全電力を発電機及び外部電源により分担して供給可能とした電力システムにおいて、
外部電源の停電時に、負荷に供給するべき全電力を発電機から供給するものである。
【００１４】
請求項２に記載した発明は、請求項１において、
直流電圧部としての前記電源結合部の電圧を検出する電圧検出手段と、
外部電源の正常時に、前記電圧検出手段による電圧検出値を目標値に維持するように前記発電量を制御する制御手段と、
前記発電量を所定値に制限する制限手段と、
前記目標値を外部電源の正常時における出力電圧以上に維持する手段と、を備え、
前記制限手段により制限された発電量が負荷の要求する全電力に満たない場合には、前記電圧検出値が前記目標値よりも低下して外部電源から不足電力が前記負荷に供給されるように構成されていると共に、
前記電圧検出値が外部電源の正常時における出力電圧よりも低下したことにより外部電源の停電を検出するものである。
【００１５】
請求項３に記載した発明は、請求項１または２において、
外部電源の停電時に、前記制限手段により前記発電量の制限値を増大させることにより、負荷に供給するべき全電力を発電機から供給するものである。
【００１６】
請求項４に記載した発明は、請求項３において、
負荷に供給するべき全電力を発電機から供給した後、必要に応じて前記制限値を減少させた時に、前記電圧検出値が外部電源の正常時における出力電圧よりも低下したことにより外部電源の停電を検出するものである。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に記載した発明によれば、外部電源の瞬時停電のように発電機の短時間過負荷定格値の範囲内で負荷に電力を供給できる場合には、発電機からコンバータを介して負荷が要求する全電力を供給することができ、外部電源の停電時にも負荷への電力供給を滞りなく行うことができる。また、外部電源の停電が長期にわたる時は、可能であれば負荷電力を低減させたり、システムを安全に停止させる等の手段により、実用上支障のない範囲でシステムの継続的運用が可能になる。
【００１８】
請求項２に記載した発明によれば、外部電源が正常である場合には電源結合部の直流電圧が外部電源の出力電圧よりも低下することがないため、電源結合部の電圧が外部電源の正常時の出力電圧よりも低下した場合に、外部電源の停電を検知することができる。
【００１９】
請求項３に記載した発明によれば、発電量の制限値を増加させることで、停電前における外部電源から負荷への供給電力を、発電機に分担させることができる。
【００２０】
また、請求項４に記載した発明によれば、発電量の制限値を増加させる時間を短時間に制限することにより、駆動源の機械的負荷を低減しつつ外部電源の停電を監視し、システム全体として不都合なく運転を継続することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は、電源結合部から負荷に直流電力を供給する図３及び図４の電力システム、同じく交流電力を供給する図５の電力システムの何れにも適用可能であるが、以下では、一例として本発明を図３及び図４の電力システムに適用した場合について述べる。
【００２２】
まず、図１は請求項１に係る発明を説明するための概念図であり、図１（ａ）は外部電源３０が非停電時の電力供給フロー、図１（ｂ）は外部電源３０が停電時の電力供給フローを示している。
【００２３】
まず、図１（ａ）の外部電源非停電時には、従来と同様に負荷電力ＰＬを発電機２０と外部電源３０の両者から供給することができる。すなわち、発電機２０からコンバータ４０を経由した出力電力をＰＣとすると、出力電力ＰＣが負荷電力ＰＬよりも小さい値に制御されている場合には、不足分の電力である（ＰＬ−ＰＣ）が外部電源３０から供給される。
また、両者の電力ＰＣ，（ＰＬ−ＰＣ）の比を必要に応じて調整することも、コンバータ４０の制御によって容易に実現可能である。従って、駆動源６０が本システムの発電機２０以外の機械的負荷により大きな動力を供給することも可能になる。
【００２４】
一方、図１（ｂ）の外部電源停電時には、外部電源３０から負荷１０へ電力供給することが不可能になる。
そこで、外部電源３０の停電を検知する手段を、例えばコンバータ４０の制御回路に備えておき、停電を検知した時には、発電機２０からコンバータ４０を介して負荷電力ＰＬの全てを供給するように制御を切り替える。これにより、外部電源停電時にも負荷１０への電力供給が維持されるため、システムの信頼性を高めることができる。
また、外部電源３０の停電が解消して再び外部電源３０からの電力供給が可能になった場合には、負荷電力の一部が外部電源３０から供給されるように発電機２０の発電量を低減してもよい。
【００２５】
なお、外部電源３０の停電時における負荷電力ＰＬが、発電機２０の連続発電可能電力を超えるほど大きい場合には、発電機２０の短時間過負荷定格値に基づいて所定時間負荷電力を供給し、それを超えても停電が解消しない場合には、例えば負荷電力ＰＬを低減可能であれば低減し、あるいはシステムを安全に停止させるような制御に切り替えればよい。
このように構成しておけば、実際には停電は瞬時であることが多いため、実用上ほとんど支障なくシステムを稼働させることができる。
同様に、停電時の負荷電力ＰＬが発電機の絶対最大定格を越える場合には、これを検知してシステムを速やかに安全に停止させることになる。
【００２６】
次に、請求項２の発明に係る実施形態を、図２に基づいて説明する。
従来技術として示した図３，図４の構成、すなわち電源結合部５０が直流である場合、制御系としては、図２にブロック図で示す構成を用いることができる。ただし、図３，図４における外部電源３０には、それ自体への電流の流入を阻止するような極性でダイオードが設けられているものとする。ここで、外部電源３０が図４に示したようにダイオードブリッジにて構成されている場合には、このダイオードブリッジがその役割を担うことになる。
【００２７】
図２の制御系の構成及び動作を、以下に説明する。
電源結合部５０の直流電圧（図４におけるコンデンサＣの電圧）を検出し、この電圧検出値をフィルタ７１を介して加算器７２に入力し、この加算器７２にて電圧目標値に対する偏差を計算する。この偏差を調節器７３に入力し、調節器７３の出力をコンバータ４０に対する指令値（発電機電流指令値または発電量指令値であり、以下ではこれらを纏めて発電量指令値という）とし、コンバータ４０はこれに従って発電機２０を制御することにより、電源結合部５０側の出力端子に直流電流を発生させる。
【００２８】
ここで、電源結合部５０の直流電圧の目標値を、外部電源３０の非停電時の出力電圧よりも高い値に設定すれば、外部電源３０の出力部に設けられたダイオード（図４における外部電源３０内のダイオードブリッジ）の作用により、外部電源３０と電源結合部５０との間で電流が流れることはない。
また、図２に示す如く、調節器７３からコンバータ４０に与えられる発電量指令値はリミッタ７４によって制御可能であり、その制限値を発電機２０の最大発電量規定値に対応する値としたり、あるいは運転状況に応じて変化させることにより、発電機２０の発電量を所望の値に制限することができる。
【００２９】
そして、コンバータ４０の直流出力電流と外部電源３０の直流出力電流とが加算部７５により加算され、その加算値から、次段の加算部７６により直流負荷電流を差し引いた電流が、コンバータ４０の直流出力部に接続されたコンデンサ（図４におけるコンデンサＣ）、あるいは、負荷１０の入力部に接続されたコンデンサ（図示せず）に、言い換えれば電源結合部５０に接続されたコンデンサに流入し、このコンデンサの電圧を変化させる。なお、加算部７５，７６は、図３の例における電源結合部５０に相当する。
【００３０】
このように、図２に示した制御系は、電源結合部５０の電圧が一定になるようにコンバータ４０を介した発電機２０の発電量を調整する制御系であるため、負荷電力が前記リミッタ７４による発電量の制限値よりも小さい場合には、負荷電力とちょうど等しい電力がコンバータ４０から供給されることになる。
一方、負荷電力が前記制限値よりも大きければ、コンバータ４０の出力電流が直流負荷電流に満たないため、外部電源３０からの直流出力電流が増加しない限り、電源結合部５０に接続されたコンデンサＣが放電してその電圧が低下する。そして、コンデンサＣの電圧が外部電源３０の電圧を下回ると、外部電源３０の内部のダイオードが順バイアスされるため、外部電源３０から不足分の電流が電源結合部５０に流入し、コンデンサＣの電圧は外部電源３０の電圧にクランプされる。
すなわち、負荷電力のうちの一部がコンバータ４０から供給され、不足分が外部電源３０から供給される状態になる。
【００３１】
つまり、外部電源３０が正常に動作していれば、コンデンサＣすなわち電源結合部５０の電圧が外部電源３０の電圧よりも下がることはなく、電源結合部５０の電圧は常に外部電源３０の電圧以上の値となっている。外部電源３０が、内部抵抗など出力インピーダンスを有している場合でも、これによる電圧低下は実質上小さく、無視できるか、予め想定することができるため、上述した外部電源３０の電圧と電源結合部５０の電圧との大小関係に実質的に影響することはない。
従って、電源結合部５０の電圧を監視していて、その電圧が外部電源３０の正常時（非停電時）の出力電圧よりも低下した場合には、外部電源３０からの電力供給が消失または低下しているため外部電源３０が停電したものとみなすことができる。
【００３２】
前述したように、図２に示した制御系は元々電源結合部５０の電圧を検出しているため、その検出値が外部電源３０の正常時の出力電圧を下回ったことをもって、停電を簡単に検知することが可能となる。
なお、負荷電力が発電量の制限値よりも小さい場合には、電源結合部５０の電圧は当初の目標値に維持されるため、上述の方法では外部電源３０の停電を検知することができない。ただし、この場合には負荷１０が要求する電力が発電機２０からコンバータ４０を介して全て供給されているため、外部電源３０が停電しても動作に支障はなく、何ら問題はない。
【００３３】
次に、請求項３に係る発明の実施形態を説明する。
外部電源３０から負荷電力の一部が供給されている状態で外部電源３０が停電した場合、負荷１０が必要とする電力が供給されなくなるため、システムの動作が不正となる。具体的には、例えば図３の構成では電源結合部５０の電圧が著しく低下するので、コンバータ４０や負荷１０の保護回路によってシステムが停止することが考えられる。
【００３４】
このような事態を回避する方法として、外部電源３０の停電を検知した場合には、発電機２０による発電量の制限値を増大させ、負荷１０が要求する全電力を発電機２０からコンバータ４０を介して供給することが有効である。
上記の作用を図２の構成で説明すると、外部電源３０の停電を検知した際に、調節器７３の出力側に設けられたリミッタ７４の制限値を増加させることにより、発電機２０の発電量を増大させることができる。これにより、電源結合部５０の電圧は再び目標値まで上昇すると共に、負荷１０への所要電力の供給が確保されることになる。
【００３５】
次いで、請求項４に係る発明の実施形態を説明する。
以上のようにして、外部電源３０の停電時にも負荷１０への電力供給を滞りなく維持できるものの、このような動作は、本来の目的、すなわち、発電機２０の発電量を制限して駆動源６０の機械的負荷を低減するという目的には反している。
そこで、この実施形態では、外部電源３０の停電時に発電量の制限値を増加させた後、一定時間が経過したら、あるいは発電量の測定値または推定値が所定値に達したら、発電量の制限値を再び減少させる。
このようにして発電量の制限値の増加を短時間に制限することにより、システム全体として不都合なく運転を継続することが可能である。
【００３６】
なお、発電量の制限値を減少させることによって全負荷電力を発電機２０から供給できなくなると、前述したように電源結合部５０の直流電圧が低下する。このとき、電源結合部５０の電圧が再び外部電源３０の正常時の電圧よりも低下するならば、それは停電が継続しているか、または再び停電になったと判断することができる。
一方、電源結合部５０の電圧が外部電源３０の正常時の電圧に維持されたならば、停電は解消したと判断することができる。
また、このような動作を行い、外部電源３０の停電が異常に長く継続した場合には、警報を発したり、システムを安全に停止させるなどの措置をとることが可能である。
【００３７】
上記の説明では、発電機２０が交流機である場合について説明したが、本発明はこれに制限されるものではない。例えば、発電機が直流機の場合には、コンバータとしてチョッパ回路を用いることにより、同様な動作を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】請求項１に係る発明を説明するための概念図である。
【図２】請求項２の発明の実施形態を示す構成図である。
【図３】第１の従来技術を示す概略的な構成図である。
【図４】図３の主要部の具体例を示す回路図である。
【図５】第２の従来技術を示す概略的な構成図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０，１１：負荷
２０：発電機
３０，３１：外部電源
４０，４１：コンバータ
５０，５１：電源結合部
６０：駆動源
７１：フィルタ
７２：加算器
７３：調節器
７４：リミッタ
７５，７６：加算部
Ｃ：コンデンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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