(57)【要約】【課題】単一の回転電機の電力を、互いに並列接続した複数の電力変換器で電力変換する発電システムにおいて、当該発電システムを小型化する。【解決手段】多相巻線が結線された複数の巻線群が互いに独立して設けられている単一の回転電機と、互いに並列に接続され、前記回転電機の電力を変換する複数の電力変換器と、を備え、前記巻線群のそれぞれには、一以上の前記電力変換器が電気的に接続されていることを特徴とする発電システムである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多相巻線が結線された複数の巻線群が互いに独立して設けられている単一の回転電機と、
互いに並列に接続され、前記回転電機の電力を変換する複数の電力変換器と、
を備え、
前記巻線群のそれぞれには、一以上の前記電力変換器が電気的に接続されていることを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記電力変換器の数がＮ（Ｎ≧２）、前記巻線群の数がＭ（Ｍ≧２）である場合において、
前記巻線群のそれぞれに接続されている前記電力変換器の数は、（Ｎ／Ｍ）であることを特徴とする、請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
Ｎ及びＭは同数であることを特徴とする、請求項２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記電力変換器の数がＮ（Ｎ≧２）、前記巻線群の数がＭ（Ｍ≧２）である場合において、
前記電力変換器のそれぞれに接続されている前記巻線群の数は、（Ｍ／Ｎ）であり、２以上であることを特徴とする、請求項１に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、単一の回転電機（発電機）で発電した発電電力を単一の電力変換器で電力変換してバッテリや電力系統等の負荷に供給する発電システムが開示されている。
【０００３】
ところで、発電システムを車両や航空機等に搭載するには、その発電システムの小型化を如何に実現するかが重要な問題となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−４０９８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、発明者は、複数の電力変換器を並列接続し、その並列接続した電力変換器の各々を小型化することで、発電システム全体を小型化するという着想を得た。
【０００６】
しかしながら、電力変換器を並列接続すると、単一の回転電機で発電された電力を分割して各電力変換器に供給する分割経路が必要となるとともに、その各分割経路にリアクトルを配置して各分割経路間における横流電流を抑制する必要がある。そのため、単に電力変換器を並列接続するだけでは、発電システムの小型化に限界があり、発電システムのさらなる小型化を図ることが困難である。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、単一の回転電機の電力を、互いに並列接続した複数の電力変換器で電力変換する発電システムにおいて、当該発電システムを小型化することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、多相巻線が結線された複数の巻線群が互いに独立して設けられている単一の回転電機と、互いに並列に接続され、前記回転電機の電力を変換する複数の電力変換器と、を備え、前記巻線群のそれぞれには、一以上の前記電力変換器が電気的に接続されていることを特徴とする発電システムである。
【０００９】
本発明の一態様は、上述の発電システムであって、前記電力変換器の数がＮ（Ｎ≧２）、前記巻線群の数がＭ（Ｍ≧２）である場合において、前記巻線群のそれぞれに接続されている前記電力変換器の数は、（Ｎ／Ｍ）である。
【００１０】
本発明の一態様は、上述の発電システムであって、Ｎ及びＭは同数である。
【００１１】
本発明の一態様は、上述の発電システムであって、前記電力変換器の数がＮ（Ｎ≧２）、前記巻線群の数がＭ（Ｍ≧２）である場合において、前記電力変換器のそれぞれに接続されている前記巻線群の数は、（Ｍ／Ｎ）であり、２以上である。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、単一の回転電機の電力を、互いに並列接続した複数の電力変換器で電力変換する発電システムにおいて、当該発電システムを小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態に係る発電システムの概略構成の一例を示す図である。
【図２】従来の発電機１１０を用いた発電システム１００の構成を示す図である。
【図３】第２の実施形態に係る発電システムの概略構成の一例を示す図である。
【図４】第３の実施形態に係る発電システムの概略構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態に係る発電システムを、図面を用いて説明する。なお、図面において、同一又は類似の部分には同一の符号を付して、重複する説明を省く場合がある。また、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために誇張されることがある。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る発電システムの概略構成の一例を示す図である。図１に示すように、発電システムＡは、発電機１及び電力変換装置２を備える。
【００１６】
発電機１は、回転電機の一つであって、再生可能エネルギーや蒸気タービン等により回転駆動されることで電力（以下、「発電電力」という。）を発電する交流発電機である。
【００１７】
この発電機１には、多相巻線が結線された複数の巻線群１１（１１−１，１１−２，…，１１−Ｍ（Ｍ：２以上の整数））が互いに独立して設けられている。ここで、独立とは、電気的に互いに絶縁されている状態である。以下に、本発明の発電機１の構成について、具体的に説明する。なお、複数の巻線群１１−１，１１−２，…１１−Ｍのそれぞれを区別しない場合には、単に「巻線群１１」と標記する。
【００１８】
発電機１は、Ｍ個の巻線群１１がそれぞれ独立して巻回されているステータと、当該ステータに対して相対回転可能に設けられるロータを備える。すなわち、発電機１は、ステータに巻回される巻線がＭ個の巻線群１１に分割されて多重化されている。
【００１９】
各巻線群１１は、多相の巻線（以下、「多相巻線」）１２を備える。なお、本実施形態では、多相巻線１２の相数を三相とするが、本実施形態ではこれに限定されず、三相以外の複数相であってもよい。
【００２０】
各巻線群１１は、Ｕ相の巻線であるＵ相巻線１２ｕ、Ｖ相の巻線であるＶ相巻線１２ｖ、及びＷ相の巻線であるＷ相巻線１２ｗを備える。Ｕ相巻線１２ｕ、Ｖ相巻線１２ｖ、及びＷ相巻線１２ｗはスター結線で接続されている。
【００２１】
具体的には、Ｕ相巻線１２ｕ、Ｖ相巻線１２ｖ、及びＷ相巻線１２ｗの一端は、それぞれ中性点Ｐに接続されている。さらに、Ｕ相巻線１２ｕ、Ｖ相巻線１２ｖ、及びＷ相巻線１２の他端は、それぞれ電力変換装置２に接続されている。
【００２２】
電力変換装置２は、発電機１が発電した交流の発電電力を直流に変換して負荷Ｆに供給する。この負荷Ｆとは、電源装置であってもよいし、電力系統であってもよい。
【００２３】
以下に、本実施形態に係る電力変換装置２について、具体的に説明する。
【００２４】
電力変換装置２は、Ｎ個の電力変換器２１（２１−１，２１−２，…，２１−Ｎ（Ｎ：２以上の整数））を備える。なお、Ｎ個の電力変換器２１−１，２１−２，…，２１−Ｎのそれぞれを区別しない場合には、単に「電力変換器２１」と標記する。例えば、電力変換器２１は、コンバータである。
【００２５】
各電力変換器２１は、各巻線群１１−１，１１−２，…，１１−Ｍのそれぞれに対応して設けられている。具体的には、第１の実施形態において、電力変換装置２は、巻線群１１−１，１１−２，…，１１−Ｍと同数（Ｎ＝Ｍ）の電力変換器２１−１，２１−２，…，２１−Ｎを備え、各巻線群１１−１，１１−２，…，１１−Ｍと各電力変換器２１−１，２１−２，…，２１−Ｎとは１：１で電気的に接続されている。
【００２６】
電力変換器２１−１は、巻線群１１−１におけるＵ相巻線１２ｕ、Ｖ相巻線１２ｖ、及びＷ相巻線１２ｗの他端にそれぞれ電気的に接続されている。そして、電力変換器２１−１は、発電機１のロータが回転することで、巻線群１１−１のＵ相巻線１２ｕ、Ｖ相巻線１２ｖ、及びＷ相巻線１２ｗに発生した発電電力を直流に変換して負荷Ｆに供給する。
【００２７】
電力変換器２１−２は、巻線群１１−２におけるＵ相巻線１２ｕ、Ｖ相巻線１２ｖ、及びＷ相巻線１２ｗの他端にそれぞれ電気的に接続されている。そして、電力変換器２１−２は、発電機１のロータが回転することで、巻線群１１−２のＵ相巻線１２ｕ、Ｖ相巻線１２ｖ、及びＷ相巻線１２ｗに発生した発電電力を直流に変換して負荷Ｆに供給する。
【００２８】
電力変換器２１−Ｎは、巻線群１１−ＭにおけるＵ相巻線１２ｕ、Ｖ相巻線１２ｖ、及びＷ相巻線１２ｗの他端にそれぞれ電気的に接続されている。そして、電力変換器２１−Ｎは、発電機１のロータが回転することで、巻線群１１−ＭのＵ相巻線１２ｕ、Ｖ相巻線１２ｖ、及びＷ相巻線１２ｗに発生した発電電力を直流に変換して負荷Ｆに供給する。
【００２９】
次に、第１の実施形態に係る発電システムの構成における作用効果について、説明する。図２は、従来の発電機１１０を用いた発電システム１００の構成を示す図である。
【００３０】
図２の発電システム１００では、単一の発電機１１０で発電した発電電力を、複数の電力変換器１２０で直流に変換して負荷Ｆに供給するために、発電機１の相巻線１２ｕ、Ｖ相巻線１２ｖ、及びＷ相巻線１２ｗのそれぞれから各電力変換器１２０への電力伝送経路を、それぞれ分岐することで、並列接続する各電力変換器１２０に発電電力を分配している。
【００３１】
上記電力伝送経路の分岐による電力分配では、各電力伝送経路の経路長や各電力変換器１２０の個体差による抵抗値、インダクタンス値等の違いにより、分岐後の各電力伝送経路の間で横流電流が流れる。そのため、その横流電流を抑制するために分岐後の電力伝送経路のそれぞれに、上記個体差を無視できる程度に大きいリアクトル１３０が必要となる。ただし、このリアクトル１３０の追加が、発電システム１００のさらなる小型化を妨げる。
【００３２】
一方、第１の実施形態に係る発電システムＡは、並列に接続された電力変換器２１−１，２１−２，…，２１−Ｎと同数の独立した多相巻線１２（巻線群１１−１，１１−２，…，１１−Ｍ（Ｍ＝Ｎ））を有する単一の発電機１を備える。
【００３３】
これにより、発電機１の相巻線１２ｕ、Ｖ相巻線１２ｖ、及びＷ相巻線１２ｗのそれぞれから各電力変換器２１−１，２１−２，…，２１−Ｎへの電力伝送経路を分岐する必要がない。そのため、横流電流が流れず、上記リアクトル１３０を設ける必要がない。したがって、発電システムＡは、発電システム１００よりもさらなる小型化及び重量の抑制が可能となる。さらに、多相巻線１２のいずれかに断線等の故障が発生した場合であっても、その故障が発生した多相巻線１２とは異なる独立した多相巻線１２で発電することが可能であり、冗長性・信頼性の向上が可能となる。
【００３４】
（第２の実施形態）
以下に、第２の実施形態に係る発電システムＢについて、図３を用いて説明する。
図３は、第２の実施形態に係る発電システムＢの概略構成の一例を示す図である。図３に示すように、発電システムＢは、発電機１、電力変換装置２Ｂ、及び複数のリアクトル３を備える。
【００３５】
電力変換装置２Ｂは、Ｎ個の電力変換器２１Ｂ（２１Ｂ−１，２１Ｂ−２，…，２１Ｂ−Ｎ）を備える。
【００３６】
電力変換器２１Ｂは、各巻線群１１−１，１１−２，…，１１−Ｍごとに２つ設けられている。具体的には、第２の実施形態において、電力変換装置２は、巻線群１１−１，１１−２，…，１１−Ｍの数の２倍（Ｎ＝２×Ｍ）の電力変換器２１Ｂ−１，２１Ｂ−２，…，２１Ｂ−Ｎを備え、巻線群１１−１，１１−２，…，１１−Ｍと各電力変換器２１Ｂ−１，２１Ｂ−２，…，２１Ｂ−Ｎとは１：２で電気的に接続されている。
【００３７】
具体的に、巻線群１１−１におけるＵ相巻線１２ｕの他端からの電力伝送経路Ｗｕは、分岐点Ｓｕで分岐経路Ｗ１及びＷ２に分岐し、当該分岐経路Ｗ１が電力変換器２１Ｂ−１に接続され、当該分岐経路Ｗ２が電力変換器２１Ｂ−２に接続される。
また、巻線群１１−１におけるＶ相巻線１２ｖの他端からの電力伝送経路Ｗｖは、分岐点Ｓｖで分岐経路Ｗ３及びＷ４に分岐し、当該分岐経路Ｗ３が電力変換器２１Ｂ−１に接続され、当該分岐経路Ｗ４が電力変換器２１Ｂ−２に接続される。
さらに、巻線群１１−１におけるＷ相巻線１２ｗの他端からの電力伝送経路Ｗｗは、分岐点Ｓｗで分岐経路Ｗ５及びＷ６に分岐し、当該分岐経路Ｗ５が電力変換器２１Ｂ−１に接続され、当該分岐経路Ｗ６が電力変換器２１Ｂ−２に接続される。
【００３８】
巻線群１１−２におけるＵ相巻線１２ｕの他端からの電力伝送経路Ｗｕは、分岐点Ｓｕで分岐経路Ｗ７及びＷ８に分岐し、当該分岐経路Ｗ７が電力変換器２１Ｂ−３に接続され、当該分岐経路Ｗ８が電力変換器２１Ｂ−４に接続される。
また、巻線群１１−２におけるＶ相巻線１２ｖの他端からの電力伝送経路Ｗｖは、分岐点Ｓｖで分岐経路Ｗ９及びＷ１０に分岐し、当該分岐経路Ｗ９が電力変換器２１Ｂ−３に接続され、当該伝送経路Ｗ１０が電力変換器２１Ｂ−４に接続される。
さらに、巻線群１１−２におけるＷ相巻線１２ｗの他端からの電力伝送経路Ｗｗは、分岐点Ｓｗで分岐経路Ｗ１１及びＷ１２に分岐し、当該分岐経路Ｗ１１が電力変換器２１Ｂ−３に接続され、当該分岐経路Ｗ１２が電力変換器２１Ｂ−４に接続される。
【００３９】
巻線群１１−ＭにおけるＵ相巻線１２ｕの他端からの電力伝送経路Ｗｕは、分岐点Ｓｕで分岐経路Ｗ１３及びＷ１４に分岐し、当該分岐経路Ｗ１３が電力変換器２１Ｂ−（Ｎ−１）に接続され、当該分岐経路Ｗ１４が電力変換器２１Ｂ−Ｎに接続される。
また、巻線群１１−ＭにおけるＶ相巻線１２ｖの他端からの電力伝送経路Ｗｖは、分岐点Ｓｖで分岐経路Ｗ１５及びＷ１６に分岐し、当該分岐経路Ｗ１５が電力変換器２１Ｂ−（Ｎ−１）に接続され、当該伝送経路Ｗ１６が電力変換器２１Ｂ−Ｎに接続される。
さらに、巻線群１１−ＭにおけるＷ相巻線１２ｗの他端からの電力伝送経路Ｗｗは、分岐点Ｓｗで分岐経路Ｗ１７及びＷ１８に分岐し、当該分岐経路Ｗ１７が電力変換器２１Ｂ−（Ｎ−１）に接続され、当該分岐経路Ｗ１８が電力変換器２１Ｂ−Ｎに接続される。
【００４０】
リアクトル３は、すべての分岐経路Ｗ１〜Ｗ１８に設けられている。すなわち、各巻線群１１と各電力変換器２１Ｂとの間の電力伝送経路のすべての分岐経路においてリアクトル３が設けられている。そして、リアクトル３は、各分岐経路Ｗ１〜Ｗ１８間での横流電流を抑制する。
【００４１】
なお、第２の実施形態では、電力変換器２１Ｂ−１，２１Ｂ−２，…，２１Ｂ−Ｎの数Ｎが、巻線群１１−１，１１−２，…，１１−Ｍの数Ｍの２倍の値（（Ｎ／Ｍ）＝２）である場合について説明したが、これに限定されない。例えば、（Ｎ／Ｍ）の値が２以上であればよい。
【００４２】
上述したように、第２の実施形態に係る発電システムＢは、並列接続される電力変換器２１Ｂの数がＮ（Ｎ≧２）、巻線群１１の数がＭ（Ｍ≧２）である場合において、巻線群１１のそれぞれに接続されている電力変換器２１Ｂの数は、（Ｎ／Ｍ）であって２以上である。
【００４３】
このような構成により、各電力変換器２１Ｂを従来よりも小型化できるため、発電システムＢ全体を小型化できる。また、並列接続された各電力変換器２１Ｂの配置自由度（設計自由度）を向上させることができる。さらに、多相巻線１２のいずれかに断線等の故障が発生した場合であっても、その故障が発生した多相巻線１２とは異なる独立した多相巻線１２で発電することが可能であり、冗長性・信頼性の向上が可能となる。
【００４４】
（第３の実施形態）
以下に、第３の実施形態に係る発電システムＣについて、図４を用いて説明する。
図４は、第３の実施形態に係る発電システムＣの概略構成の一例を示す図である。図４に示すように、発電システムＣは、発電機１Ｃ、及び電力変換装置２を備える。
【００４５】
発電機１Ｃには、多相巻線が結線された複数の巻線群１１Ｃ（１１Ｃ−１，１１Ｃ−２，…，１１Ｃ−Ｍ（Ｍ：２以上の整数））が互いに独立して設けられている。以下に、本発明の発電機１の構成について、具体的に説明する。なお、複数の巻線群１１Ｃ−１，１１Ｃ−２，…１１Ｃ−Ｍのそれぞれを区別しない場合には、単に「巻線群１１Ｃ」と標記する。
【００４６】
発電機１Ｃは、Ｍ個の巻線群１１がそれぞれ独立して巻回されているステータと、当該ステータに対して相対回転可能に設けられるロータを備える。すなわち、発電機１は、ステータに巻回される巻線がＭ個の巻線群１１Ｃに分割されて多重化されている。
【００４７】
各巻線群１１Ｃは、多相の巻線（以下、「多相巻線」）１２を備える。なお、本実施形態では、多相巻線１２の相数を三相とするが、本実施形態ではこれに限定されず、三相以外の複数相であってもよい。
【００４８】
各巻線群１１Ｃは、Ｕ相の巻線であるＵ相巻線１２ｕ、Ｖ相の巻線であるＶ相巻線１２ｖ、及びＷ相の巻線であるＷ相巻線１２ｗを備える。Ｕ相巻線１２ｕ、Ｖ相巻線１２ｖ、及びＷ相巻線１２ｗはスター結線で接続されている。
【００４９】
具体的には、Ｕ相巻線１２ｕ、Ｖ相巻線１２ｖ、及びＷ相巻線１２ｗの一端は、それぞれ中性点Ｐに接続されている。さらに、Ｕ相巻線１２ｕ、Ｖ相巻線１２ｖ、及びＷ相巻線１２の他端は、それぞれ電力変換装置２に接続されている。
【００５０】
電力変換装置２は、Ｎ個の電力変換器２１（２１−１，２１−２，…，２１−Ｎ（Ｎ：２以上の整数））を備える。なお、Ｎ個の電力変換器２１−１，２１−２，…，２１−Ｎのそれぞれを区別しない場合には、単に「電力変換器２１」と標記する。例えば、電力変換器２１は、コンバータである。
【００５１】
第３の実施形態において、電力変換装置２は、巻線群１１−１，１１−２，…，１１−Ｍの数Ｍの１／２の数Ｎの電力変換器２１−１，２１−２，…，２１−Ｎを備え、各巻線群１１−１，１１−２，…，１１−Ｍと各電力変換器２１−１，２１−２，…，２１−Ｎとは２：１で電気的に接続されている。
【００５２】
具体的には、電力変換器２１−１は、巻線群１１−１のＵ相巻線１２ｕの他端と、巻線群１１−２のＵ相巻線１２ｕの他端と、のそれぞれに接続されている。また、電力変換器２１−１は、巻線群１１−１のＶ相巻線１２ｖの他端と、巻線群１１−２のＶ相巻線１２ｖの他端と、のそれぞれに接続されている。さらに、電力変換器２１−１は、巻線群１１−１のＷ相巻線１２ｗの他端と、巻線群１１−２のＷ相巻線１２ｗの他端と、のそれぞれに接続されている。
【００５３】
具体的には、電力変換器２１−２は、巻線群１１−３のＵ相巻線１２ｕの他端と、巻線群１１−４のＵ相巻線１２ｕの他端と、のそれぞれに接続されている。また、電力変換器２１−２は、巻線群１１−３のＶ相巻線１２ｖの他端と、巻線群１１−４のＶ相巻線１２ｖの他端と、のそれぞれに接続されている。さらに、電力変換器２１−２は、巻線群１１−３のＷ相巻線１２ｗの他端と、巻線群１１−４のＷ相巻線１２ｗの他端と、のそれぞれに接続されている。
【００５４】
具体的には、電力変換器２１−Ｍは、巻線群１１−（Ｍ−１）のＵ相巻線１２ｕの他端と、巻線群１１−ＭのＵ相巻線１２ｕの他端と、のそれぞれに接続されている。また、電力変換器２１−Ｍは、巻線群１１−（Ｍ−１）のＶ相巻線１２ｖの他端と、巻線群１１−ＭのＶ相巻線１２ｖの他端と、のそれぞれに接続されている。さらに、電力変換器２１−Ｍは、巻線群１１−（Ｍ−１）のＷ相巻線１２ｗの他端と、巻線群１１−ＭのＷ相巻線１２ｗの他端と、のそれぞれに接続されている。
【００５５】
なお、第３の実施形態では、電力変換器２１のそれぞれに接続されている巻線群１１の数が２である場合について、説明したがこれに限定されず、電力変換器２１のそれぞれに接続されている巻線群１１の数が２以上であればよい。すなわち、電力変換器２１のそれぞれに接続されている巻線群１１の数が（Ｍ／Ｎ）であって、２以上であればよい。ただし、Ｎ及びＭがともに２以上である。
【００５６】
上述したように、第３の実施形態に係る発電システムＣは、並列接続される電力変換器２１の数がＮ（Ｎ≧２）、巻線群１１の数がＭ（Ｍ≧２）である場合において、電力変換器２１のそれぞれに接続されている巻線群の数は、（Ｍ／Ｎ）であり、２以上である。
【００５７】
このような構成により、横流電流が生じず、上記リアクトル１３０を設ける必要がない。したがって、発電システムＣは、さらなる小型化及び重量の抑制が可能となる。さらに、多相巻線１２のいずれかに断線等の故障が発生した場合であっても、その故障が発生した多相巻線１２とは異なる独立した多相巻線１２で発電することが可能であり、冗長性・信頼性の向上が可能となる。
【００５８】
上述したように、第１の実施形態から第３の実施形態における発電システムは、多相巻線が結線された複数の巻線群が互いに独立して設けられている単一の回転電機（発電機）と、互いに並列に接続され、その回転電機の電力を変換する複数の電力変換器と、を備え、その巻線群のそれぞれには、一以上の電力変換器が電気的に接続されている。
【００５９】
このような構成により、単一の回転電機の電力を、互いに並列接続した複数の電力変換器で電力変換する発電システムにおいて、当該発電システムを小型化することができる。
【００６０】
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【符号の説明】
【００６１】
Ａ，Ｂ，Ｃ  発電システム
１，１Ｃ  発電機
２，２Ｂ  電力変換装置
１１，１１Ｃ  巻線群
１２  多相巻線
２１，２１Ｂ  電力変換器
【図１】
2019170132.tif 000003
【図２】
2019170132.tif 000004
【図３】
2019170132.tif 000005
【図４】
2019170132.tif 000006