(57)【要約】【課題】可変速エンジン発電機を用いたエンジン発電機システムにおいて、電力コンバータの保護回路を小さくし、コンバータの小型・低コストを実現するエンジン発電機システムとその制御方法並びにコジェネレーションシステムを提供する。【解決手段】エンジンと、エンジンにより駆動される発電機と、直流回路を有して交流―交流変換を行うコンバータとを備え、コンバータは、発電機の回転子または固定子のいずれかに一方端が接続され、他方端が電力系統に接続されて運用されるエンジン発電機システムであって、電力系統の事故時にコンバータの直流回路に抵抗を並列接続する第１の手段と、電力系統の事故時にエンジンに供給する燃料量を低減する第２の手段とを備えることを特徴とするエンジン発電機システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、エンジンにより駆動される発電機と、直流回路を有して交流―交流変換を行うコンバータとを備え、前記コンバータは、前記発電機の回転子または固定子のいずれかに一方端が接続され、他方端が電力系統に接続されて運用されるエンジン発電機システムであって、
電力系統の事故時に前記コンバータの前記直流回路に抵抗を並列接続する第１の手段と、電力系統の事故時に前記エンジンに供給する燃料量を低減する第２の手段とを備えることを特徴とするエンジン発電機システム。
【請求項２】
請求項１に記載のエンジン発電機システムであって、
電力系統の事故時に前記直流回路に抵抗を並列接続する条件、あるいは／または電力系統の事故時に前記エンジンに供給する燃料量を低減する条件は、電力系統の事故発生により電力系統の電圧低下したことに伴って付随的に発生する事象の中から選択されることを特徴とするエンジン発電機システム。
【請求項３】
請求項１、または請求項２に記載のエンジン発電機システムであって、
電力系統の事故時に前記直流回路に抵抗を並列接続する条件は、前記直流回路の直流電圧の上昇、電力系統の電圧低下、事故検出する保護継電器の出力であることを特徴とするエンジン発電機システム。
【請求項４】
請求項１、または請求項２に記載のエンジン発電機システムであって、
電力系統の事故時に前記エンジンに供給する燃料量を低減する条件は、前記直流回路の直流電圧上昇、抵抗の並列接続に伴う温度上昇、前記直流回路の直流電流上昇であることを特徴とするエンジン発電機システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のエンジン発電機システムであって、
前記コンバータは、前記発電機の回転子に一方端が接続され、前記コンバータの他方端と前記発電機の固定子が電力系統に接続されていることを特徴とするエンジン発電機システム。
【請求項６】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のエンジン発電機システムであって、
前記コンバータは、前記発電機の固定子に一方端が接続され、前記コンバータの他方端が電力系統に接続されていることを特徴とするエンジン発電機システム。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のエンジン発電機システムであって、
前記第２の手段は、電力系統の事故時に前記エンジンに供給する燃料量を低減する際に、前記エンジンの回転速度に応じた低減量とすることを特徴とするエンジン発電機システム。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のエンジン発電機システムであって、
前記エンジンの回転速度指令と前記エンジンの回転速度から前記エンジンに供給する燃料量を制御する第３の手段を備え、
前記第１の手段は、前記第２の手段により燃料量が低減された後に前記直流回路に並列接続されていた抵抗を解列し、さらに所定時間経過後に前記第３の手段による燃料量の制御に移行することを特徴とするエンジン発電機システム。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のエンジン発電機システムであって、
前記コンバータは、発電機側コンバータと電力系統側コンバータの間に前記直流回路を接続しており、前記発電機側コンバータにより前記発電機の固定子端の力率を変え、前記電力系統側のコンバータにより電力系統側の無効電力を制御することにより、前記発電機の出力端の電圧を制御することを特徴とするエンジン発電機システム。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のエンジン発電機システムであって、
電力系統の事故時に前記直流回路に抵抗を並列接続する条件は前記直流回路の電圧上昇であり、電力系統の事故時に前記エンジンに供給する燃料量を低減する条件は前記直流回路に並列接続された抵抗による発熱であることを特徴とするエンジン発電機システム。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のエンジン発電機システムに、前記エンジンからの排熱を回収する排熱回収装置を備えたコジェネレーションシステム。
【請求項１２】
エンジンと、エンジンにより駆動される発電機と、直流回路を有して交流―交流変換を行うコンバータとを備え、前記コンバータは、前記発電機の回転子または固定子のいずれかに一方端が接続され、他方端が電力系統に接続されて運用されるエンジン発電機システムの制御方法であって、
電力系統の事故時に前記直流回路に抵抗を並列接続するとともに、電力系統の事故時に前記エンジンに供給する燃料量を低減することを特徴とするエンジン発電機システムの制御方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載のエンジン発電機システムの制御方法であって、
電力系統の事故時に前記エンジンに供給する燃料量を低減する際に、前記エンジンの回転速度に応じた低減量とすることを特徴とするエンジン発電機システムの制御方法。
【請求項１４】
請求項１２または請求項１３に記載のエンジン発電機システムの制御方法であって、
前記エンジンの回転速度指令と前記エンジンの回転速度から前記エンジンに供給する燃料量を制御する第３の手段を備え、
燃料量が低減された後に前記直流回路に並列接続されていた抵抗を解列し、さらに所定時間経過後に前記エンジンの回転速度指令と前記エンジンの回転速度の差分に応じた燃料量の制御に移行することを特徴とするエンジン発電機システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は可変速のエンジン発電機により電力を併給するエンジン発電機システムとその制御方法並びにコジェネレーションシステムに係り、特に、発電機の可変速化のため周波数変換用コンバータが必須なシステムにおいて、系統事故時に発生する過大な電流に対してコンバータを保護し、かつ、発電機を系統から解列することなく運転を継続することを実現するエンジン発電機システムとその制御方法並びにコジェネレーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明に係るエンジン発電機システムは、さらにその排熱を利用して熱も供給するコジェネレーションシステムとして利用可能である。このため、本発明の以下の説明においてはコジェネレーションシステムを例にとり説明する。
【０００３】
エンジン発電機を用いたコジェネレーションシステムは、エンジンの排熱を有効に利用できるため総合エネルギー効率が良い。ただし、コジェネレーションシステムは一般にエンジンの電気変換効率が良い定格出力で運転するため、熱と電力の供給量は一定である。電力を需要にあわせて発電させると熱の供給力も変わるが、熱電比率は変えることはできず、どちらかに対して過不足が生じる。
【０００４】
このため、特許文献１に示すように、エンジン発電機に交流励磁発電機を用いて可変速にする方法が提案されている。これは、同じ電気出力でも、エンジンのトルクと回転速度の比率を変えることで、エンジンの排熱量が変わることを利用している。
【０００５】
交流励磁発電機はコンバータを用いて交流を回転子に供給し、その交流周波数を変えることで、エンジンの回転速度を可変にしつつ、発電周波数を系統に合わせるよう一定に保っている。このような交流励磁発電機は、たとえば特許文献２に記載されている。
【０００６】
特許文献２は、交流励磁発電機を用いた風力発電システムにおいて、電力系統で停電などの電圧低下が発生した際のコンバータ保護に関する技術に関する。従来の主要な電源は系統に直結した同期発電機であり原動機の速度は一定であった。同期発電機は系統事故など異常時に生じる瞬時の電圧低下により発生する過電流で故障しないように設計されている。
【０００７】
一方、原動機を可変速にするには、発電機に周波数変換用コンバータが必須である。ただし、コンバータは過電流に対して故障しやすいため、それに対する保護が不可欠になる。これは太陽光発電、風力発電、電池などコンバータを利用した非同期発電装置に共通の課題であり、初期の非同期発電装置は系統事故時には系統から解列して保護していた。
【０００８】
近年、太陽光発電や風力発電など再生可能エネルギーの急速な普及により、これら非同期発電装置の占める割合が増え、従来の主要な電源である同期発電機に比べて無視できなくなっている。系統事故時に非同期発電装置すべてが一斉に自己保護のために解列すると、連鎖解列により系統事故が拡大し、大規模停電につながる恐れがある。
【０００９】
そこで系統の安定化のため、コンバータを利用した非同期発電機装置には、系統連系要件としてＦＲＴ（Ｆａｕｌｔ  Ｒｉｄｅ  Ｔｈｒｏｕｇｈ）、あるいは、ＬＶＲＴ（Ｌｏｗ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｒｉｄｅ  Ｔｈｒｏｕｇｈ）という機能が必須になっている。具体的には、電圧の低下率とその持続時間を規定し、規定よりも軽微な系統事故の場合には、運転を継続するよう義務付けるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第５８６８１７０号
【特許文献２】特開２０１０−２１３５６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
コジェネレーションに用いられる従来のエンジン発電機は同期発電機を用いていたため、ＦＲＴ規定は適用されていなかったが、可変速エンジンを用いる場合、コンバータが必須となり、このような非同期発電装置に対してはＦＲＴ機能が不可欠となる。特許文献１にはこの対策に対してなんら記載がない。
【００１２】
特許文献２には、風力発電装置に関するＦＲＴ対応技術が示されている。これによれば、コンバータは系統側コンバータと回転子側コンバータの間に直流回路を持つ構成で、直流回路の電圧上昇を検知し、そこに並列に設けられた過電流消費装置により運転継続を実現する方法が示されている。
【００１３】
この過電流消費装置とは、具体的には抵抗器であるため、消費エネルギーが大きくなるほど体格が大きい。つまり過電流消費装置は、出力の大きな発電機向けほど、また、電圧低下に耐える時間を長く要求されるほど、消費させるエネルギーが大きくなるので、体格が大きくなる。これはコンバータ全体の低コスト化や小型化を阻む原因になっている。また、将来、再生可能エネルギーが増える社会において、系統連系要件として電圧低下に耐える時間が長くなることはあっても短くなることはない。
【００１４】
また、系統事故には至らなくとも、再生可能エネルギーの変動出力により系統の電圧が不安定になる。このとき、電圧を維持する機能がコジェネレーションの発電システムとして必要である。従来は同期発電機の励磁電流制御で発電端電圧を制御することが可能であったが、このシステムにおいて、電圧を安定化する制御方法は示されていない。
【００１５】
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、可変速エンジン発電機を用いたエンジン発電機システムにおいて、電力コンバータの保護回路を小さくし、コンバータの小型・低コストを実現するエンジン発電機システムとその制御方法並びにコジェネレーション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】
【００１６】
以上のことから本発明においては「エンジンと、エンジンにより駆動される発電機と、直流回路を有して交流―交流変換を行うコンバータとを備え、コンバータは、発電機の回転子または固定子のいずれかに一方端が接続され、他方端が電力系統に接続されて運用されるエンジン発電機システムであって、電力系統の事故時にコンバータの直流回路に抵抗を並列接続する第１の手段と、電力系統の事故時にエンジンに供給する燃料量を低減する第２の手段とを備えることを特徴とするエンジン発電機システム」としたものである。
【００１７】
また本発明においては「エンジンからの排熱を回収する排熱回収装置を備えたコジェネレーションシステム」としたものである。
【００１８】
また本発明においては「エンジンと、エンジンにより駆動される発電機と、直流回路を有して交流―交流変換を行うコンバータとを備え、コンバータは、発電機の回転子または固定子のいずれかに一方端が接続され、他方端が電力系統に接続されて運用されるエンジン発電機システムの制御方法であって、電力系統の事故時に直流回路に抵抗を並列接続するとともに、電力系統の事故時にエンジンに供給する燃料量を低減することを特徴とするエンジン発電機システムの制御方法」としたものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、可変速エンジン機を用いたエンジン発電機システムにおいて、系統異常時に、交流励磁発電機の励磁用電力コンバータを過電流から保護するための短絡回路（過電流消費装置）を小さくすることができる。また、発電機端の電圧を制御することで、系統を安定化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施例１に係るコジェネレーションシステムの構成例を示す図。
【図２】電力系統事故時の電圧低下の時間経過を示す図。
【図３】系統事故時の余剰出力と余剰エネルギーの時間変化を示す図。
【図４】系統事故時の抵抗器の温度の時間変化を示す図。
【図５】通常のＦＲＴ動作中の各部の状態を示す図。
【図６】本発明の制御フローを示す図。
【図７】図６のフローにおける電力系統事故発生後の回転速度と燃料の関係を示す図。
【図８】図６の制御フローによる各部の状態を示す図。
【図９】本発明の実施例２に係るコジェネレーションシステムの構成例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施例について、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】
【００２２】
本発明の実施例１に係るコジェネレーションシステムの構成例について図１を用いて説明する。
【００２３】
コジェネレーションシステム４は、エンジン１と、交流励磁発電機３、コンバータ２および排熱回収装置５を主たる要素として構成されている。また制御器として、統合制御装置６、エンジンコントロールユニット６０１（以下、ＥＣＵという）とコンバータ制御装置６０２を持つ。
【００２４】
統合制御装置６は、指令信号ＣＭＤとして、有効電力指令ｐ＊と無効電力指令ｑ＊と熱指令Ｑ＊を与えられており、また電力系統の電力（有効電力指令ｐと無効電力指令ｑ）を電力計２１から得て、これらに沿って、エンジンの回転速度指令ω＊を決定してＥＣＵ６０１に送り、電力指令（有効電力指令ｐ＊と無効電力指令ｑ＊）をコンバータ制御装置６０２に与える。
【００２５】
エンジン１は、燃料１１と空気１０の混合気の取込量をスロットルバルブ８で調整することで軸出力を制御する。ＥＣＵ６０１は、速度計３０からエンジンの回転速度ωのフィードバックを受け、統合制御装置６が与える回転速度目標値ω＊とすべく、スロットルバルブ８を制御する。
【００２６】
エンジンの排気１２は排熱回収装置５で熱交換され、水１３を蒸気１４に加熱して熱負荷（図示せず）に熱を供給する。
【００２７】
エンジン１の軸出力は交流励磁発電機３を通じて電力に変換される。通常、エンジン発電機は電力を制御すると、熱は独立に制御できないが、特許文献１にあるようにエンジンの回転速度を増やすことにより、供給熱量を増やすことができる。
【００２８】
交流励磁発電機３は、回転子３０１がエンジン１に駆動されることにより固定子３０２から電気を出力する。固定子３０２の電気出力端は開閉器５０と遮断機５２を介して、電力系統１００に繋がれる。
【００２９】
コンバータ２は回転子側コンバータ２０１と系統側コンバータ２０２を直流回路２０３でつなぎ、直流回路２０３の部分の電圧変動を吸収するためのコンデンサ２０４と、さらに保護回路７がつながれている。係る構成のコンバータ２により、コンバータ２の全体として交流―交流変換を行う。このようにコンバータ２は、直流回路２０３を有して交流―交流変換を行う機能のコンバータである。
【００３０】
保護回路７は、抵抗器５１とスイッチング素子７１から構成される。回転子側コンバータ２０１は回転子３０１に交流を通電し励磁する。系統側コンバータはフィルタ回路５３を介して系統に接続される。したがって、交流励磁発電機３の発生電力は、固定子３０２の出力と系統側コンバータ２０２に入出する電力との合計出力となる。
【００３１】
交流励磁発電機の可変速時の動作について説明する。回転子３０１の３相巻線に回転子側コンバータ２０１が交流を通電することで回転磁界が発生するが、回転子３０１自体も回転しているため、固定子３０２からみて、磁界の回転速度はその合計になる。
【００３２】
軸の回転方向と回転子３０１が生成する回転磁界の方向が一致すると仮定すると、回転子３０１の交流周波数をｆｒｏｔｏｒ、回転子の速度Ｎ（ｒ／ｍｉｎ）、極対数をＰ／２として、固定子３０２の受ける交流磁界の周波数ｆｓｔａｔｏｒは以下の（１）式であらわすことができる。
［数１］
ｆｓｔａｔｏｒ＝Ｎ／６０＊（Ｐ／２）＋ｆｒｏｔｏｒ：・・・・・（１）
仮に交流周波数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。回転子側コンバータ２０１は任意の電圧、位相、交流周波数ｆｒｏｔｏｒの交流を与えることができる。これにより、エンジン１の回転速度Ｎが変わっても、外部電力系統１００の交流と同じ周波数で、かつ、同期した発電が可能である。
【００３３】
このような交流励磁発電機３は、回転子３０１への通電位相を変えることにより、トルク、すなわち交流励磁発電機３の有効電力ｐを制御することができる。また、回転子３０１の電流値を変えることで励磁磁束を変え、固定子３０２の電圧を変える、すなわち、無効電力ｑを制御することもできる。上記の回転子側コンバータ２０１は、交流側を任意の周波数と電圧に制御するが、その場合の直流回路部２０３の電圧は一定であることを前提にしている。
【００３４】
一方、系統側コンバータ２０２は、直流回路部２０３の電圧Ｖｄｃが一定になるようにスイッチングで系統側と電力を入出するよう制御する。このとき、系統側コンバータ２０２は単独で系統側の電圧を変える、すなわち無効電力ｑを制御することもできる。
【００３５】
このように、回転子側コンバータで発電機の無効電力ｑを、系統側コンバータでも無効電力ｑを調整できるため、この交流励磁発電機３を使ったシステムでは、従来よりも大きな無効電力ｑを供給することができる。
【００３６】
コンバータ制御装置６０２は、与えられた電力指令（有効電力指令ｐ＊と無効電力指令ｑ＊）を達成すべく、回転子側コンバータ２０１と系統側コンバータ２０２を適宜制御している。この場合の制御対象となるのが、上記した回転子３０１への通電位相であり、回転子３０１の電流値であり、系統側コンバータ２０２における系統側の電圧などである。
【００３７】
次に図１の構成における系統事故時のＦＲＴ動作を説明する。
【００３８】
コンバータ２を構成する回転子側コンバータ２０１と系統側コンバータ２０２は、一般にＩＧＢＴなどの半導体デバイスで構成されているが、その通電可能量と耐電圧に上限があるため、通常運転では定められた制限以下で運転している。これは、半導体デバイスが耐電圧を超えて絶縁破壊したり、過電流による温度上昇での破損を防ぐためである。コンバータの過電流・過電圧に対する耐性は、従来の系統電源の主役である発電機などに比べて非常に低い。そのため系統短絡などの異常時には、コンバータの保護が必須である。
【００３９】
このため、コンバータ２を利用する交流励磁発電機３は、系統事故時には解列しやすいように設計されている場合が多い。しかし、今後、太陽光発電、風力発電、蓄電池を始め、コンバータを利用する電源が増えていくと、事故時にそれらがすべて解列した場合に、連鎖的に停電が広がる可能性がある。これを避けるため、系統運用者は瞬時電圧低下に対しては、各発電機に対して運転継続（Ｆａｕｌｔ  Ｒｉｄｅ  Ｔｈｒｏｕｇｈ：ＦＲＴ）規定を設けるようになっている。
【００４０】
図２は、電力系統事故時の電圧低下（縦軸）の時間経過（横軸）を示している。この例では、時刻ｔ０における電力系統事故発生により電圧８１が低下し、時刻ｔ１０において事故除去され、その後時刻ｔ２０において元の電圧に回復した例を示している。図１に示すコンバータ２を利用する交流励磁発電機３は、電圧回復までの期間、コンバータ２を運転継続することが期待されている。
【００４１】
図２には、運転継続のためのＦＲＴ規定が点線８０で示されている。点線８０のＦＲＴ規定では、系統事故後の最低電圧８３とその持続時間８２、事故収束後の電圧低下の許容範囲８４、系統事故の収束時間などが定められている。実際の系統事故時の電圧が、たとえば電圧波形８１であれば、点線８０で示すＦＲＴ規定よりも軽微な系統事故とみなし、この範囲に収まる電圧低下に対しては運転を継続できなければならない。
【００４２】
系統事故時には事故点の電圧が下がるが、固定子３０２の電圧は高いので電力系統に過電流が流れる。また、コンバータ２にも回転子３０１から過電流が流れようとする。どちらもエンジン１の軸から受取るエネルギーは電力に変換されようとするため、電圧が下がる分、電流が増えなければならないが、コンバータ２は過電流を流せない。
【００４３】
係る状態において電力系統の事故除去のために図示せぬ保護継電装置が遮断器５２を開放すると、電気系の回路が遮断されたことにより、エネルギーは行き場を失い、回転子３０１の回転速度ωが上昇し運動エネルギーに変換される、あるいは、直流回路部２０３のコンデンサ２０４にエネルギーが蓄積され、コンデンサ容量を超えると破裂することになる。回転機にも過回転による損傷の懸念もある。またコンバータ２を構成する半導体素子の破壊が懸念される。
【００４４】
通常運転では、系統側コンバータ２０２はＶｄｃを一定に保つように系統側の交流電流を制御している。しかし、コンバータには電流容量の上限があるため、電圧が下がると電力を系統に逃がすことができず、直流回路２０３の電圧が上昇する。これを避けるため、保護回路７を直流回路部に並列に設置している。この保護回路７は直流回路の電圧を電圧計２０Ａで検出し、この電圧が所定の電圧を超える場合に、エネルギーを消費させる。保護回路７は抵抗器とスイッチング素子７１からなり、通常はスイッチング素子７１をＯＦＦ、過電圧の場合にはスイッチをＯＮし、抵抗器５１でエネルギーを消費する。
【００４５】
しかし、抵抗器５１はエネルギーを消費する分、温度が上昇する。抵抗器にも耐熱の限界がある。ＦＲＴのように長くとも数秒の短時間の温度上昇は、機器の熱容量で吸収するしかないため、抵抗器を大きくすることになる。これはコストもかさみ、機器の小型化もできない問題があった。今後、系統に連系するコンバータ付き電源が増えると、ますますＦＲＴの要件は厳しくなると考えられ、運転継続可能な電圧低下の時間が長くなるに従い抵抗器が大きくなる。
【００４６】
そこで、本発明では、この保護回路７の抵抗器を小さくするため、ＦＲＴ動作中に、エンジンの軸から発電機３へのエネルギー入力を減らすよう、エンジンの燃料制御も合わせることで、保護回路７でのエネルギー消費を少なくするものである。具体的な動作例を以下に説明する。
【００４７】
図３は系統事故時の余剰出力と余剰エネルギーの時間変化を示している。余剰出力８６は、図２の発電端電圧をほぼ上下反転した形になる。正常時には、軸からの機械入力は発電機の電流と電圧の積として出力され定常状態になっているが、発電機の電圧が下がると、電流はインダクタンスなどで急には増えないため、電力を出力できない。これを余剰電力と呼ぶことにする。余剰出力８６を時間で累計したものが余剰エネルギー８７となる。
【００４８】
この余剰エネルギー８７はそのまま抵抗器５１の熱に変換され、その平均温度は、短時間の断熱近似で考えると余剰エネルギーカーブと等しく、抵抗器の温度は、図４に示す温度上昇カーブ９０Ａとなる。図４は、系統事故時の抵抗器の温度の時間変化を示している。この抵抗器を２並列、３並列にしたのが温度上昇カーブ９０Ｂと９０Ｃであり、並列数を増やすほど温度が低くなる。ただし、これは保護回路が大きくなり、変換器自体の小型化の妨げになる。
【００４９】
図５には通常のＦＲＴ動作中の各部の状態をしめす。具体的には、抵抗器の温度上昇カーブ９０Ａ、直流電圧９５Ａ、回転速度９３Ａ、混合器流９２Ａ、系統事故時の発電端電圧８１についての時間変化を示している。
【００５０】
この事例では、系統事故時にエンジン１のスロットルバルブ８で出力を調整しておらず、エンジンに入力される混合気量９２Ａは一定である場合を想定している。このケースでは、系統事故により交流端電圧波形が８１のように低下したとき、直流回路部２０３の電圧Ｖｄｃは９５Ａに示すように上がり、たとえば１０５％の閾値まで上がると一定になるように保護回路７がスイッチング素子７１を動作させる。その間、抵抗器５１でエネルギーが消費され温度は９０Ａのように上昇する。余剰のエネルギーはすべて保護回路７で消費されているので、回転速度は９３Ａに示すように一定に保つことができる。系統事故が収まると余剰エネルギーがなくなるので、直流電圧Ｖｄｃが下がり、定常運転に戻る。
【００５１】
これに対し、本発明の制御フローを図６に示す。図６の最初の処理ステップＳ１では系統事故時に直流電圧Ｖｄｃが上昇し、閾値である例えば１０５％を越えることを確認し、閾値を超えたときに処理ステップＳ２において保護回路７に通電を始める。なお保護回路７の通電とは、図１のスイッチング素子７１により抵抗５１が直流回路２０３に接続されることであり、抵抗での電力消費による発熱を生じる。処理ステップＳ３では保護回路７の温度を監視しており、温度が閾値Ｔ７である６０℃を超えたら、処理ステップＳ４においていったんスロットルバルブ８を閉じて混合気の燃料をほぼゼロにする。燃料カットにより、エンジン軸から発電機３への入力が無くなることから直流電圧は下がるので、処理ステップＳ５において保護回路７への通電は止まり、同時に回転速度も下がりはじめる。なお保護回路７の通電停止とは、図１のスイッチング素子７１により抵抗５１を直流回路２０３から解列することである。
【００５２】
処理ステップＳ６では継続して回転速度を観測しておき、処理ステップＳ７、Ｓ８の判断では回転速度の大きさに応じた制御を実行する。
【００５３】
まず処理ステップＳ７では、回転速度が１００％まで下がってこないことをもって処理ステップＳ１２に移り、以降処理ステップＳ４、Ｓ５の燃料カット、保護回路７の停止処理を繰り返し実行させる。このように、回転速度が１００％を超えた場合には、保護回路７を動作させ、且つ燃料をカットし、回転速度を制御する。
【００５４】
処理ステップＳ７で回転速度が１００％以下になったことが確認できた場合には、さらに処理ステップＳ８において回転速度が９５％以上か、否かを確認する。回転速度が９５〜１００％の範囲ならば、処理ステップＳ９において燃料を５０％とし、回転速度が９５％以下ならば処理ステップＳ１０において燃料１００％を指令する。
【００５５】
また処理ステップＳ１１において、保護回路７への通電が終わってからの時間ΔＴを計測しておき、たとえば２秒間保護回路７が働かなければ、系統事故が終了したとみて、ＦＲＴモードを終了する。その後は通常通り、エンジンの出力をドループ制御により回転速度一定に制御する。
【００５６】
図７は、図６のフローにおける電力系統事故発生後の回転速度と燃料の関係を示したものであり、例えば回転速度が１００％以上の第１ステージｓｔ１では燃料０％、回転速度が１００％から９５％の範囲の第２ステージｓｔ２では燃料５０％、回転速度が９５％以下の第３ステージｓｔ３では燃料１００％とする、つまり回転速度が低いほど燃料量を増やす関係としている。また制御後の回転速度の低下はケースにより遅延が生じるが、保護回路７への通電が終わってからの時間ΔＴが経過後は、ＥＣＵ６０１により定まる制御に移行する。
【００５７】
なお図７のフローは、要するに交流系統の事故時に直流回路２０３に抵抗を接続して熱消費を行わせることでコンバータ２を運転継続させるとともに、燃料をカットしあるいは低減することにより交流励磁発電機３の機械入力と電気出力の差分を抑制したものである。
【００５８】
図６では直流回路２０３に抵抗を接続する条件として、直流回路２０３の直流電圧Ｖｄｃの上昇を例示しているが、これは電力系統の事故発生に応じて生じる事象の中から適宜選択することが可能である。例えば、直接的には電力系統の電圧低下、事故検出する保護継電器の出力などである。また燃料の供給を停止あるいは低減する条件として、保護回路７の温度が閾値Ｔ７である６０℃を超えたことを利用しているが、これ以外にも直流回路２０３の直流電圧上昇、保護回路７作動に伴う温度上昇、直流回路２０３の直流電流上昇などの事象が利用可能である。なお図６の実施例において温度を採用したのは、温度がエンジン発電機システムの内部で検知可能な情報であり、外部から取り込むためのインタロックが不要であることによる。
【００５９】
以上要するに直流回路２０３に抵抗を接続する条件、あるいは燃料の供給を低減する条件は、電力系統の事故発生により電力系統の電圧低下したことに伴って付随的に発生する事象の中から適宜に選択すればよい。本発明では、事故発生時に直流回路２０３に抵抗を接続することによるエネルギー消費と、エンジン及び発電機における機械入力と電気出力の差分を減少すべく機械入力を抑制することを共に実行することで、事故後の安定的な運転継続を可能にしている。
【００６０】
図８には図６の制御フローによる各部の状態をしめしている。ここでは直流電圧９５Ｂ、回転速度９３Ｂ、保護回路温度９０Ｄ、燃料流量９２Ｂ、系統事故時の発電端電圧８１を例示して時間変化を示している。
【００６１】
まず、時刻ｔ０で系統の電圧８１が下がると、直流電圧Ｖｄｃである９５Ｂが上昇し、保護回路７の通電が始まるため、保護回路７の温度が９０Ｄのように上がる。保護回路７の温度が時刻ｔ１で閾値６０℃に達すると、図６の処理ステップＳ３の処理により燃料流量９２Ｂをゼロにする。この結果、発電機への軸入力がなくなるので、直流電圧９５Ｂと回転速度９３Ｂが下がる。
【００６２】
図６の処理ステップＳ８での判断処理により、回転速度が９５％以上１００％以下の時には、処理ステップＳ９が作用して時刻ｔ２において燃料を５０％とする。それにより、軸入力が電気出力を上回るため、回転速度が上昇する。
【００６３】
図６の処理ステップＳ７での判断処理により、時刻ｔ３で回転速度が１００％を超えると保護回路７に通電（処理ステップＳ１２）し始め、同時に燃料を絞る（処理ステップＳ４）。これにより、回転速度が下がる。この動作を繰り返す。
【００６４】
時刻ｔ３以降、系統電圧８１が回復すると系統に出力できるエネルギーがふえるので、エンジンの出力は元に戻す必要がある。これは、保護回路７の最後の通電が終了してからの時間を図６の処理ステップＳ１１において計測しておき、たとえば２秒経過しても保護回路が動作しなければ、系統事故は収束したとみなし、ＦＲＴモードを終了する。これによりエンジンは通常の回転速度一定制御となるよう、周波数に対してドループ制御を行う。
【００６５】
なお、上記例では保護回路７の温度を判断してスロットルバルブを制御しているが、回路７の電流値の時間積分により温度を推測することも容易であり、これを計測することでも同様の効果を得ることができる。
【実施例２】
【００６６】
図９に本発明の実施例２に係るコジェネレーションシステムの構成例を示す。図１との違いは、エンジンにつながれた発電機３Ｂが交流励磁発電機ではなく、磁石界磁発電機であることである。この場合、コンバータ２の変換器容量は、エンジンの最大出力と同じ容量である必要があり、また、発電機の出力すべてがコンバータ２を通すため、コンバータのロスが大きくなる欠点がある。しかし、この場合にも、コンバータ２を保護する回路は同じく過電流保護回路７が設置される。動作については、実施例１で示したものと同様である。
【００６７】
なお実施例１、実施例２の発電機３は回転子３０１がエンジンにより駆動される発電機３であって、回転子３０１または固定子３０２のいずれかが、直流回路２０３を有して交流―交流変換を行う機能のコンバータ２を介して電力系統１００に接続されているものである。なおコンバータ２は、２組のコンバータ２０１，２０２の間に直流回路２０３を備えたコンバータである。
【符号の説明】
【００６８】
１：エンジン
２：コンバータ
３：交流励磁発電機
３Ｂ：磁石界磁発電機
４：コジェネレーションシステム
５：排熱回収装置
６：統合制御装置
７：保護回路
８：スロットルバルブ
９：開閉器：
１０：空気
１１：燃料
１２：排気
１３：水
１４：蒸気
２０Ａ：電圧計
２０Ｂ：電圧計
２１：電力計
３０：回転速度計
４０：統合制御装置
５０：開閉器
５１：抵抗器
５２：遮断器
５３：フィルタ回路
７１：スイッチング素子
８０：ＦＲＴ規定
８１：系統事故時発電端電圧の例
８２：ＦＲＴ規定最低電圧の持続時間
８３：ＦＲＴ規定最低電圧
８４：ＦＲＴ規定電圧収束時の許容範囲
８５：ＦＲＴ規定系統事故収束時間
８６：余剰出力
８７：余剰エネルギー累計
９０Ａ：抵抗器の温度上昇カーブ、並列回路数１
９０Ｂ：抵抗器の温度上昇カーブ、並列回路数２
９０Ｃ：抵抗器の温度上昇カーブ、並列回路数１
９０Ｄ：本発明による抵抗器の温度上昇カーブ
９２Ａ：従来のエンジン発電機のＦＲＴ時の燃料流量
９２Ｂ：本発明によるエンジンのＦＲＴ時の燃料流量
９３Ａ：従来のＦＲＴ時のエンジンの回転速度
９３Ｂ：本発明のＦＲＴ時のエンジンの回転速度
９５Ａ：従来のＦＲＴ時のＶｄｃ電圧曲線
９５Ｂ：本発明のＦＲＴ時のＶｄｃ電圧曲線
１００：電力系統
２０１：回転子側コンバータ
２０２：系統側コンバータ
２０３：直流回路
２０４：直流コンデンサ
３０１：交流励磁発電機回転子
３０２：交流励磁発電機固定子
６０１：エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
６０２：コンバータ制御装置
【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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