(57)【要約】  【課題】  太陽光発電や風力発電などの変動電源とレシプロエンジン発電機から構成される複合型発電システムにおいて、負荷変動、外気環境、燃料条件など運転条件に応じて、効率良く、かつ、出力調整幅を広くすることが可能な発電システムとその制御方法を提供する。  【解決手段】  レシプロエンジンと、前記レシプロエンジンの出力軸に連結される交流励磁発電機と、スリップリングを介して前記交流励磁発電機の回転軸に連結され、前記交流励磁発電機の回転子に交流電力を通電する電力変換器と、を備え、前記レシプロエンジンの気筒内の圧力の時間変化波形に基づき、前記電力変換器のすべり周波数制御により、前記レシプロエンジンの回転速度およびトルクを制御することを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レシプロエンジンと、
前記レシプロエンジンの出力軸に連結される交流励磁発電機と、
スリップリングを介して前記交流励磁発電機の回転軸に連結され、前記交流励磁発電機の回転子に交流電力を通電する電力変換器と、を備え、
前記レシプロエンジンの気筒内の圧力の時間変化波形に基づき、前記電力変換器のすべり周波数制御により、前記レシプロエンジンの回転速度およびトルクを制御することを特徴とする発電機システム。
【請求項２】
請求項１に記載の発電機システムであって、
前記レシプロエンジンの気筒内に設置した圧力センサにより当該気筒内の圧力を直接計測することを特徴とする発電機システム。
【請求項３】
請求項１に記載の発電機システムであって、
燃焼圧力波形推定装置をさらに備え、
前記レシプロエンジンの筐体に設置したひずみゲージまたは加速度センサの計測値から前記レシプロエンジンの気筒内の圧力の時間変化波形を推定することを特徴とする発電機システム。
【請求項４】
請求項１に記載の発電機システムであって、
燃焼圧力波形推定装置をさらに備え、
前記レシプロエンジンの出力軸または前記交流励磁発電機の回転軸に設置した回転速度センサの計測値から前記レシプロエンジンの気筒内の圧力の時間変化波形を推定することを特徴とする発電機システム。
【請求項５】
請求項１に記載の発電機システムであって、
燃焼圧力波形推定装置をさらに備え、
前記交流励磁発電機の出力電流波形から前記レシプロエンジンの気筒内の圧力の時間変化波形を推定することを特徴とする発電機システム。
【請求項６】
請求項１に記載の発電機システムであって、
前記発電機システムが接続される電力系統の負荷に応じて予め決定した前記レシプロエンジンの回転速度に基づき、前記電力系統の出力が所定値よりも高い場合には同期速度よりも回転速度を高く制御し、前記電力系統の出力が所定値よりも低い場合には同期速度よりも回転速度を低く制御することを特徴とする発電機システム。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の発電機システムであって、
前記交流励磁発電機の出力を一定に維持しながら、前記レシプロエンジンの回転速度およびトルクを制御することを特徴とする発電機システム。
【請求項８】
レシプロエンジンにより発電運転する交流励磁発電機を備える発電機システムの制御方法であって、
前記レシプロエンジンの気筒内の圧力の時間変化波形に基づき、すべり周波数制御により、前記レシプロエンジンの回転速度およびトルクを制御することを特徴とする発電機システムの制御方法。
【請求項９】
請求項８に記載の発電機システムの制御方法であって、
前記レシプロエンジンの気筒内に設置した圧力センサにより当該気筒内の圧力を直接計測することを特徴とする発電機システムの制御方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の発電機システムの制御方法であって、
前記レシプロエンジンの筐体に設置したひずみゲージまたは加速度センサの計測値から前記レシプロエンジンの気筒内の圧力の時間変化波形を推定することを特徴とする発電機システムの制御方法。
【請求項１１】
請求項８に記載の発電機システムの制御方法であって、
前記レシプロエンジンの出力軸または前記交流励磁発電機の回転軸に設置した回転速度センサの計測値から前記レシプロエンジンの気筒内の圧力の時間変化波形を推定することを特徴とする発電機システムの制御方法。
【請求項１２】
請求項８に記載の発電機システムの制御方法であって、
前記交流励磁発電機の出力電流波形から前記レシプロエンジンの気筒内の圧力の時間変化波形を推定することを特徴とする発電機システムの制御方法。
【請求項１３】
請求項８に記載の発電機システムの制御方法であって、
前記発電機システムが接続される電力系統の負荷に応じて予め決定した前記レシプロエンジンの回転速度に基づき、前記電力系統の出力が所定値よりも高い場合には同期速度よりも回転速度を高く制御し、前記電力系統の出力が所定値よりも低い場合には同期速度よりも回転速度を低く制御することを特徴とする発電機システムの制御方法。
【請求項１４】
請求項８から１３のいずれか１項に記載の発電機システムの制御方法であって、
前記交流励磁発電機の出力を一定に維持しながら、前記レシプロエンジンの回転速度およびトルクを制御することを特徴とする発電機システムの制御方法。
【請求項１５】
風力発電器および太陽光発電機の少なくともいずれか一方とレシプロエンジン発電機とを含む複合型発電システムの制御方法であって、
前記レシプロエンジン発電機は請求項８から１４のいずれかにより制御されることを特徴とする複合型発電システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機システムに係り、特に、再生可能エネルギーなどの変動電源と協調させる目的で用いられるレシプロエンジン発電機とその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
持続可能な社会を実現するため、太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーが急速に普及している。一方、再生可能エネルギーは電力需要に合わせて出力を制御できないため、需給バランスをとるために系統全体としては調整用の電源が不可欠である。大容量の二次電池は高価であり、揚水発電は設置可能な地域が限定される。そのため、調整用電源の大部分は火力発電が担う。
【０００３】
しかし、火力発電を調整用として用いると、稼働時間が短く、また、部分負荷運転が多くなる。火力発電は部分負荷運転で効率が低下することは良く知られている。また、火力発電は出力調整幅にも制約がある。汽力機であれば頻繁な温度の上下による熱疲労劣化、内燃機関であれば燃焼可能な条件等の制約があり、その最低出力が調整幅を決める。この調整幅を広げることは再生可能エネルギーの拡大に必要な技術である。一方、火力機に調整の役割を負担させると発電コストが上昇する。これらに対して発送電分離の世界的な潮流の中で、高コストの調整用電源を、系統全体として誰がどのように確保していくかは大きな課題である。
【０００４】
調整用電源としては、起動／停止時間が短く負荷変化率が早い、レシプロエンジンやガスタービンの内燃機関を利用した発電機が適している。しかし、これらの熱機関を利用した発電機は上述したように部分負荷時の効率低下と、燃焼安定な出力に下限があるという課題がある。一般に熱機関は熱サイクルの温度差が大きいほど効率が良いが、同じ回転速度で出力を絞ると空燃比が上がり、燃焼温度が下がる。
【０００５】
内燃機関の出力を絞るときには、定性的には空気量を絞れば、空燃比を維持でき燃焼状態の悪化を抑制することができる。このような例は、レシプロエンジン発電機に関しては、たとえば、特許文献１がある。
【０００６】
従来のエンジン発電機は、同期発電機で原動機の軸出力を電力変換しているため、系統と連携するために系統周波数と同期した回転速度でしか運転ができなかった。これに対し、特許文献１ではエンジンの回転速度を可変にしている。エンジン発電機の負荷に従って、高効率な運転速度にするため、パルス幅変調式（PWM）交直変換器とPWM式直交変換器を直流リンク部で直列に接続した回路を発電機の出力端子と電力系統の間に介装して、発電機の出力を電力系統に供給するものであって、交直変換器により発電機を可変速制御する方法が開示されている。
【０００７】
また、特許文献２には、各電力発生源に付設した直流側変換装置の出力を並列接続して直流系統を形成し、この直流系統の直流電力をインバータなど１式の交流側変換装置で交流電力に変換して交流系統に送電するようにして、装置の小型化とコストダウンを図る例が開示されている。
【０００８】
また、特許文献３には、原動機の可変速制御のために交流励磁型発電機を用いる例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第４３７６０８９号公報
【特許文献２】特開２００３−２５０２２２号公報
【特許文献３】特開２００４−１５３９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
例えば上記特許文献１には、エンジンの出力と最適な回転速度について、予め求めた関数によって設定するとある。しかし、その関数の求め方は記載されておらず、またエンジンの出力範囲も予め決めておく必要がある。また、実際の運転においては、エンジン内部の経年変化や外気温・外気圧力、また不安定な品質のバイオ燃料などの熱量のばらつきに依って燃焼条件は刻一刻と変わっていくため、予め求めた関数と実際の最適速度は異なる。
【００１１】
これに対し、例えば運転中に効率を測定して最適速度を修正する方法などが考えられるが、実際には難しい。流量計による燃料量と電気出力の割合から効率を導出するには時間がかかるため、変動する電力負荷に対しての正確な測定は難しい。このように刻一刻と変化する運転条件に対して、常に最も適切な回転速度を選べない欠点があった。
【００１２】
また、部分負荷運転における燃焼温度の低下は、効率の低下はもちろん、不完全燃焼のために、エンジン内のスラッジ蓄積、ＮＯｘなどの有害ガスの増加、などの問題も発生し、出力調整幅に実質的な制約がある。従来の内燃機関発電機は、定格の５０％程度しか出力を絞れない場合が多い。調整用電源としては、今後、再生可能エネルギーの導入割合を増やすために、出力調整幅が大きいほど望ましいので、最低負荷の低減も調整用としてのエンジン発電機の課題であった。
【００１３】
また、上記特許文献１では発電機の交流を一旦、交直変換、直交変換する周波数変換器を介しており、この変換器での損失が大きい。エンジン発電機の効率は、原動機の効率と、回転電機である発電機の効率との掛け算となるが、上記の周波数変換器の損失が加わるため、総合効率の低下を招く。
【００１４】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、太陽光発電や風力発電などの変動電源とレシプロエンジン発電機から構成される複合型発電システムにおいて、負荷変動、外気環境、燃料条件など運転条件に応じて、効率良く、かつ、出力調整幅を広くすることが可能な発電システムとその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明は、レシプロエンジンと、前記レシプロエンジンの出力軸に連結される交流励磁発電機と、スリップリングを介して前記交流励磁発電機の回転軸に連結され、前記交流励磁発電機の回転子に交流電力を通電する電力変換器と、を備え、前記レシプロエンジンの気筒内の圧力の時間変化波形に基づき、前記電力変換器のすべり周波数制御により、前記レシプロエンジンの回転速度およびトルクを制御することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、レシプロエンジンにより発電運転する交流励磁発電機を備える発電機システムの制御方法であって、前記レシプロエンジンの気筒内の圧力の時間変化波形に基づき、すべり周波数制御により、前記レシプロエンジンの回転速度およびトルクを制御することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は、風力発電器および太陽光発電機の少なくともいずれか一方とレシプロエンジン発電機とを含む複合型発電システムの制御方法であって、前記レシプロエンジン発電機は上記の発電機システムの制御方法により制御されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、交流励磁発電機を利用しているため、変換器の損失が少なく、総合効率を低下させることなく、レシプロエンジンを可変速にすることができる。また、レシプロエンジンの１サイクルで燃焼状態の良否を判断できるので、それを元に直ちに最適な燃焼状態となるエンジンの回転速度に移行することができる。
【００１９】
その結果、エンジン内部の経年による状態変化、外気温、外気圧力、燃料のばらつきなどにも対応した発電システムを構成することができる。
【００２０】
また、燃焼状態が改善するため、スラッジが蓄積しにくくなるため、出力を従来よりも下げることができ、調整電力としての機能を向上させることができる。
【００２１】
また、出力調整幅の広いエンジン発電機システムを適切に制御することにより、再生可能エネルギーの導入量を増やすことができる。
【００２２】
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係る発電機システムの全体構成を示す図である。（実施例１）
【図２】４ストロークエンジンの動作を示す図である。
【図３】エンジンのシリンダ内の圧力変動（圧力の時間波形）を示す図である。
【図４】エンジンのシリンダ内の圧力変動（圧力の時間波形）を示す図である。
【図５】エンジンのシリンダ内の圧力変動（圧力の時間波形）を示す図である。
【図６】エンジンの異常燃焼時のシリンダ内の圧力変動（圧力の時間波形）を示す図である。
【図７】エンジンの異常燃焼時のシリンダ内の圧力変動（圧力の時間波形）を示す図である。
【図８】エンジンの燃焼重心を示す図である。
【図９】エンジンの燃料消費曲線、及び本発明の一実施形態に係る発電機システムの運転方法を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る発電機システムの制御方法を示す図である。
【図１１】エンジンの異常燃焼時のシリンダ内の圧力変動（圧力の時間波形）を示す図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係るグリッドの構成を示す図である。
【図１３】本発明の一実施形態に係るグリッドの電力需要と発電内訳を示す図である。
【図１４】本発明の一実施形態に係る発電機システムの全体構成を示す図である。（実施例２）
【図１５】本発明の一実施形態に係る発電機システムの全体構成を示す図である。（実施例３）
【図１６】本発明の一実施形態に係るシリンダ内の圧力と出力軸の回転速度の関係を示す図である。
【図１７】本発明の一実施形態に係る発電機システムの全体構成を示す図である。（実施例４）
【図１８】本発明の一実施形態に係るシリンダ内の圧力と出力電流波形の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明を実施するための例（以下においては「実施例」と表記する）を、図面を参照して説明する。なお、実施例を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。
【実施例１】
【００２５】
図１から図１３を参照して、実施例１の発電機システムとその制御方法について説明する。
【００２６】
図１は本実施例の発電機システム４の全体構成を示している。本実施例の発電機システム４は、図１に示すように、主要な構成として、レシプロエンジン１と、交流励磁発電機３、および電力変換器２を備えており、制御器として、エンジンコントロールユニット６（以下、ＥＣＵ）とパワーコンディショナー（ＰＣＳ：変換器制御器）７を有している。
【００２７】
交流励磁発電機３は、回転子３１と固定子３２からなり、回転子３１の軸は、レシプロエンジン１の出力軸（クランクシャフト）１４と繋がる。また、回転子３１にはスリップリング３５を通じて、電力変換器２から交流（電力）が通電される。また、交流励磁発電機３は、遮断器５２を介して電力系統１００に接続され、電力変換器２と交流励磁発電機３の出力端は電気的に繋がれており、電力変換器２の制御により出力を正負にすることができる。
【００２８】
発電機システム４は、レシプロエンジン１の軸動力を交流励磁発電機３により電力に変換する。レシプロエンジン１は、出力指令７７を受けて、ＥＣＵ６が燃料調整弁７４を制御する。ＥＣＵ６は、電力計５０の出力をみてフィードバック制御をおこなう。
【００２９】
電力変換器２は、電力系統１００側の系統周波数５０Ｈｚ、あるいは６０Ｈｚの交流電力を、周波数ｆrotorの３相交流に変換し、これを受けて回転子３１は交流励磁される。交流励磁された回転子３１は回転磁界を生成する。
【００３０】
このとき、交流励磁発電機３の固定子３２の交流周波数ｆstatorは電力系統１００と同期しており、回転子の回転速度Ｎ（ｒ/ｍｉｎ）、極対数をＰ／２として、その回転子３１が生成する磁界の回転方向を軸の回転方向と一致すると仮定すると以下の式１になる。
【００３１】
【数１】
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【００３２】
仮にｆrotorをゼロ、すなわち直流を供給すると、同期発電機と同じ動作になる。電力変換器２は任意の位相と周波数ｆrotorの交流を与えることができるので、このレシプロエンジン１の回転速度Ｎは、電力変換器２の制御で決めることができる。電力変換器２は変換器制御器７で制御する。変換器制御器７は、回転速度計５６によって計測した回転速度Ｎ、ＥＣＵ６からの出力を元に電力変換器２に周波数と電圧の指令を与える。
【００３３】
レシプロエンジン１は、エンジン筐体１１があり、筐体内部のシリンダ１６内をピストン１５が上下し、クランクシャフト１４に動力を伝える。シリンダ１６内部に圧力計１３を設け、この圧力計１３の信号を波形解析装置８に送る。この波形解析装置８はエンジン（レシプロエンジン１）の燃焼状態を解析し、その良否判断をする。波形解析装置８には、回転位置センサ５７からクランクシャフトの角度、および、回転速度センサ５６から軸の回転速度Ｎを入力する。
【００３４】
エンジンの燃焼状態は、出力（燃料投入量と比例）と点火タイミング、ピストン１５の動作速度、すなわち回転速度によって変わる。そこで、上記の波形解析装置８でエンジン燃焼状態を判断し、変換器制御器７に回転速度Ｎを補正する指令を送る。具体的には、上述のｆrotorの周波数を変えれば速度が変わる。
【００３５】
次にエンジン内部の燃焼過程と状態を図２に示す。図２は４ストローク機関の１サイクルを示したものである。クランクシャフト１４が２回転で１サイクルである。図２に対応するシリンダ１６内の圧力を示したものが図３である。クランク角−５４０°から−１８０°までは、吸気弁２０Ａ、あるいは排気弁２０Ｂのどちらかが空いているため、シリンダ内圧力は、ほぼ０である。図２の（４）の圧縮工程から圧力が上昇し、ピストン１５が最上部まで上がった位置（Ｔｏｐ  Ｄｅａｄ  Ｃｅｎｔｅｒ：ＴＤＣ）の近傍で燃焼が始まり（図３の「燃焼開始」）、膨張過程で仕事をする。
【００３６】
これを表したものが図４である。燃焼しない場合（圧縮のみの場合）には、圧力はクランク角０°、すなわちＴＤＣで最大になり、一点鎖線のように左右対称の圧力カーブとなる。燃焼すると実線のようになり、その差分の斜線の部分が仕事となる。出力が小さいときには図５のようになる。これらは燃焼状態が良好な場合である。
【００３７】
燃焼状態が悪い場合（異常燃焼時）の例を図６と図７に示す。燃焼が均質に拡散せずに、初期に集中したり、燃料の粒径が大きい場合などに生じる燃焼ムラなどでノッキングが発生すると、圧力波形は細かく振動する。このような振動を波形解析装置８で分析すれば、燃焼の良否が分かる。このような燃焼判断は、エンジンの１サイクル、あるいは、数サイクルの平均で実施できるため、リアルタイムの判断ができる。
【００３８】
軸（クランクシャフト）１４の回転速度の変化に伴う燃焼カーブの違いを図８に示す。回転速度が低い順に（ａ）（ｂ）（ｃ）の順となる。また、このときに燃焼重心の重心という考えを取入れると、それぞれに対応して、（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の順となり、回転速度が速いほど燃焼重心は後ろにシフトする。これは、シリンダ１６内の燃焼拡散のスピードが一定とすると、回転速度が速くなるほど燃焼が遅れて見えるためである。
【００３９】
また、同出力で回転速度が異なる場合には、回転速度が速いと１サイクルあたりの仕事は少なくなるので、図４に示した有効面積（斜線部分の面積）は小さくなる。このように回転速度を変えることによって燃焼重心を移動させることができ、最も良い燃焼状態にすることが可能である。
【００４０】
本方法は、燃焼状態の良否判断が高速であり、リアルタイムに最適な運転状態に移行することができる特長がある。例えば、効率を測定するには、効率燃料消費量と出力を積分して判断しなければならず、正確な判定には１０分程度の時間を要する。このような従来の方法のように時間がかかると、再生可能エネルギーの出力変動に十分に対応することができない。
【００４１】
本実施例によれば、クランク角とシリンダ内圧力を計測しているため、燃焼重心を測定することができ、最適な重心になるように回転速度を変えることができる。
【００４２】
定性的には、効率が良い、つまり燃料消費が少ない場合の燃焼状態が良いといえる、一般的なレシプロエンジンの燃料消費マップを図９に示す。縦軸はトルク、あるいは排気量あたりのトルクに比例するＢＭＥＰ（Ｂｒａｋｅ  Ｍｅａｎ  Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）でエンジンの基本的な運転状態を示す。エンジン出力は「トルク×回転速度」なので、等出力線は反比例カーブとなる。エンジンの回転速度はＮＥｍｉｎからＮＥｍａｘまで可変とする。また、交流励磁発電機３の可変速範囲をＮＧｍｉｎからＮＧｍａｘとする。
【００４３】
この等燃費線の形状は一般的なもので、従来のエンジン発電機は、定格時に最も効率を良く設計されているのでＡ点で運転される。この出力を上下させる理想的な運転は長破線（１）のようになる。しかし、電力系統１００に直結する同期発電機を持つ従来のエンジン発電機では、出力を下げる場合に固定速なので、Ａ−Ｂ間で運転する。
【００４４】
Ｂ点以下は立上げ時など過渡的には運転されるが、通常、二つの理由で運転されない。一つは、効率が下がるため、出力を下げても燃料消費量が減らず発電事業としてメリットがない。二つめは、特にディーゼルエンジンで良く知られている問題で、低負荷運転を長時間続けると、エンジン内部の不完全燃焼によりスラッジが蓄積する。このスラッジにより性能が劣化し、最悪の場合には、起動時に暴発する可能性もある。
【００４５】
本実施例では、出力を下げる方法として、例えばＡからＣ点にトルクを一定のまま回転速度を下げることができる。さらに、回転速度一定のまま、Ｄ点までトルクを下げると、Ｂ点と同じ出力となり、等燃費線から燃料消費が少なくなることがわかる。
【００４６】
また、本実施例によるエンジン発電機は、出力の調整幅を増やすことができる。等燃費線上はエンジン内部の燃焼状態が同じとすれば、最低出力がＢ点であるエンジン発電機は、最低出力をＦ点まで下げることができる。一方、エンジンの回転速度をＥ点まで上げることで出力を増やすことも可能である。このように、従来のエンジン発電機を本実施例により可変速にすることで出力調整幅を増やすことができる。
【００４７】
なお、破線（１）のように負荷に対する回転速度をあらかじめ設定しておくと、早い時間で最適な回転速度に収束させることができることは言うまでもない。
【００４８】
図１０はエンジンの燃焼を安定させるための可変速運転の方法を示す。領域（１）は、ノッキングが発生しやすい低速大トルクの場合であり、エンジンの燃焼状態を表す筒内圧力は典型的には図７のようになる。仮にＡ点でノッキングが発生した場合、等出力線上のＢ点に回転速度を変えるために、電力変換器２の回転子側の周波数を変える。次に領域（２）は、高速低トルクでの燃焼不安定領域がある。
【００４９】
この場合の筒内圧力は典型的には図１１のようになり、サイクル毎の燃焼波形が安定せず、筒内圧力の最大値Ｐｍａｘが変動、あるいは燃焼重心が毎回異なる。仮にＣ点でこのＰｍａｘの変動が有る閾値を超えたら、等出力線上のＤ点に回転数を変える。これも（１）の場合と同様に、電力変換器２の回転子側の周波数を変えることで制御する。
【００５０】
図１２は、本実施例の発電機システム４を利用した電力系統１００を示す。電力負荷２００が電力系統１００に繋がれており、電力系統１００の電力は、本実施例の可変速エンジン発電機システム４、蓄電池システム５、太陽光発電器９、風力発電機１０、および、電力負荷２００を除く電源全体を制御する発電システム統合制御装置１１０からなる。
【００５１】
図１３に、この電力系統１００の電力需要とそれを担う発電システムの出力内訳を示す。太陽光発電や風力発電の定格出力は好条件時の最大値であり、気象条件によって発電機の起動・停止が間に合わないほど急に発電量が上下する場合がある。これに備え、エンジン発電機を部分負荷運転で待機させ、急激な発電調整を可能にしておく必要がある（図１３のＥＮＧ出力）。エンジン発電機を、たとえば２台保有していたとして、起動する台数を決めて各時間のエンジン発電機の最大出力が決まり、各エンジン発電機固有の最低出力の間の容量だけ再生可能エネルギーが導入可能である。
【００５２】
図１３は最低出力を仮に５０％とした場合を示している。太陽光発電器９と風力発電機１０の発電量急変に対応するため、蓄電池システム５を追加しても良い。しかし、蓄電池システム５で容量が不足する場合には、エンジン発電機４で調整しなければ系統を安定に維持できない。
【００５３】
仮に蓄電池システム５が無い場合、図１３の条件ではこれ以上風力発電や太陽光発電の設備容量を増やすと、電力需要を上回る発電をする可能性があり、再生可能エネルギーの発電量を増やすことはできないため、系統運用者は導入設備容量を制限する必要がある。
【００５４】
本実施例では、発電システム統合制御装置１１０が太陽光発電器９、あるいは、風力発電機１０の出力を任意に絞るよう指示することで、再生可能エネルギーの導入を増やすことができる。
【００５５】
また、図１３から明らかなように、エンジンの出力調整幅が大きければ、再生可能エネルギーでより多く発電することができる。このエンジン発電機の調整幅に関しては、上述のようにエンジンの回転速度を可変にすることで広げることができる。
【００５６】
また、燃焼状態を監視しているため、その時のエンジンの状態、例えば外気温、外気圧力、経年、燃料条件に合った最大の出力、あるいは最低の出力を、回転速度を変えることで変化させることができる。
【００５７】
以上のように、本実施例によれば、エンジンの燃焼状態をリアルタイムに判断し、それに基づいて回転速度を変えるため、燃焼状態を常に最適状態に維持することができる。この結果、部分負荷効率の向上が可能である。
【００５８】
また、エンジン発電機の可変速化の手段として、交流励磁発電機３を用いているため、電力変換器２での損失を少なくすることができる。
【００５９】
さらに、低負荷時には回転速度を同期速度よりも低く、高負荷時には回転速度を高くすることにより、エンジン発電機（発電機システム４）の出力調整幅を増やすことができる。
【００６０】
また、調整幅を広げることが可能なこの（可変速エンジン）発電機システム４を用いて、電力系統１００に対して太陽光発電器と風力発電機の設備を多く導入することができる。
【００６１】
さらに、出力に対する最適回転速度をあらかじめ設定しておくと、最適な運転状態に速く移行することができる。
【００６２】
なお、本実施例において、交流励磁発電機３の出力を一定に維持しながら、レシプロエンジン１の回転速度およびトルクを制御してもよい。レシプロエンジン１の燃焼状態の一時的な変化に影響されずに、（可変速エンジン）発電機システム４の出力を安定化することができる。
【実施例２】
【００６３】
図１４を参照して、実施例２の発電機システムとその制御方法について説明する。図１４は本実施例の発電機システム４の全体構成を示している。実施例１（図１）との違いは、シリンダ１６内部の圧力を計測する圧力計１３の代わりに、エンジン筐体１１にひずみゲージ１２を取付けているところが異なる。
【００６４】
そして、このひずみゲージ１２の信号を基に、燃焼圧力波形推定装置８Ａで、シリンダ１６内の圧力波形を推定する。ひずみゲージには、エンジン筐体１１のシリンダ１６内の圧力に連動した歪が現れるため、この波形を基にシリンダ１６の圧力を推定することが可能である。あるいは、エンジン筐体１１に取りつけた加速度センサでも同様の推定が可能である。
【００６５】
これらのひずみゲージ１２や加速度センサの信号の高調波成分を分析してノッキングを検出する、あるいは、燃焼重心を推定することができ、それに基づいて実施例１と同様に速度を最適値に変えることができる。本実施例による効果は実施例１と同様である。
【実施例３】
【００６６】
図１５および図１６を参照して、実施例３の発電機システムとその制御方法について説明する。図１５は本実施例の発電機システム４の全体構成を示している。実施例１（図１）との違いは、シリンダ１６内部の圧力を計測する代わりに、回転速度計（回転速度センサ）５６の信号を基に燃焼圧力波形推定装置８Ａで、シリンダ１６内の圧力波形を推定する。
【００６７】
図１６にシリンダ１６内圧力と回転速度の関係を模式的に示す。図１６では８気筒の４ストローク機関の筒内圧力と回転速度の関係を示す。各気筒は同じ燃焼状態と仮定している。エネルギー自体は燃焼行程のみで発生するが、エンジンシャフト（クランクシャフト１４）に繋がれている発電機やフライホイールなどの回転慣性があるため、ある程度平準化される効果がある。
【００６８】
図１６（ａ）はある一気筒分の筒内の圧力を示したもので、クランクシシャフト１４にはこの波形を反映したトルクが発生する。８気筒エンジンであれば、各々９０度ずれたトルクが発生することになる。図１６（ｂ）は８気筒エンジンの回転速度を表しており、１サイクル２回転７２０度内に８回の燃焼行程があるため、８次の成分があり、回転速度もこれを反映した波形となる。
【００６９】
この回転速度計（回転速度センサ）５６の高調波成分を分析し、ノッキングを検出する、あるいは、燃焼重心を推定することができ、それに基づいて実施例１と同様に速度を最適値に変えることができる。本実施例による効果は実施例１と同様である。
【実施例４】
【００７０】
図１７および図１８を参照して、実施例４の発電機システムとその制御方法について説明する。図１７は本実施例の発電機システム４の全体構成を示している。実施例１（図１）との違いは、シリンダ１６内部の圧力を推定する方法として、電力計５０の信号を基に燃焼圧力波形推定装置８Ａで、シリンダ１６内の圧力波形を推定するところにある。電力計５０の信号を燃焼圧力波形推定装置８Ａに取り込み、その波形を解析することで、シリンダ１６内の圧力波形を推定する。電力計の計測値として、電流を計測する。
【００７１】
図１８では実施例３と同じように８気筒の４ストローク機関の筒内圧力と３相の電流波形の関係を模式的に示す。シリンダ１６内の燃焼でノッキングがあれば、実施例３の回転速度の振動を反映して、３相電源として電気出力される各相の電流波形が図１８（ｂ）のように、正弦波波形の上に高調波が乗ることになる。シリンダ１６内の圧力は図１８（ａ）のように細かな振動が発生する。それを反映して、電流波形にも振動が発生することになる。
【００７２】
この電力計５０の高調波成分を分析し、ノッキングを検出する、あるいは、燃焼重心を推定することができ、それに基づいて実施例１と同様に速度を最適値に変えることができる。本実施例による効果は実施例１と同様である。
【００７３】
なお、図１７では、電流は電力計５０により計測しているが、電力変換器２のスリップリング側の電流でも可能であることは言うまでもない。
【００７４】
また、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【００７５】
また、本発明は、以下の特徴も有している。
【００７６】
［付記１］
レシプロエンジンと、その軸に繋がれた交流励磁型回転電機と、該回転電機の回転子に交流を通電する周波数変換器と、からなる発電機システムと、太陽光、風力発電など発電量を任意に調整できない再生可能エネルギーの両方の電源を持つ複合型発電システムにおいて、
再生可能エネルギーの出力が急減した場合に、前記発電システムの回転速度を同期速度よりも上げて出力を増やすことを特徴とする複合型発電システムの制御方法。
【００７７】
［付記２］
レシプロエンジンと、その軸に繋がれた交流励磁型回転電機と、該回転電機の回転子に交流を通電する周波数変換器と、からなる発電機システムと、太陽光、風力発電など発電量を任意に調整できない再生可能エネルギーの両方の電源を持つ複合型発電システムにおいて、
再生可能エネルギーの出力が急増した場合に、前記発電システムの回転速度を同期速度よりも下げて出力を減らすことを特徴とする複合型発電システムの制御方法。
【符号の説明】
【００７８】
１…レシプロエンジン
２…電力変換器
３…交流励磁発電機
４…（可変速エンジン）発電機システム
５…蓄電池システム
６…エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
７…パワーコンディショナー（ＰＣＳ：変換器制御器）
８…波形解析装置
８Ａ…燃焼圧力波形推定装置
９…太陽光発電器
１０…風力発電機
１１…エンジン筐体
１２…ひずみゲージ
１３…圧力計
１４…軸（クランクシャフト）
１５…ピストン
１６…シリンダ
１７…コンロッド
２０Ａ…吸気バルブ（弁）
２０Ｂ…排気バルブ（弁）
３１…回転子
３２…固定子
３５…スリップリング
５０…電力計
５２…遮断器
５６…回転速度検出器（回転速度計）
５７…回転位置検出器（回転位置センサ）
７４…燃料調整弁
７７…出力指令
１００…電力系統
１１０…発電システム統合制御装置
２００…電力負荷（独立系統負荷）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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