(57)【要約】【課題】交流発電機を含む発電電力系統と商用電力系統とが連系されている系統連系発電システムにおいて、交流発電機の電圧動揺に起因する発電電力系統の出力変動を効果的に抑えて、負荷に供給される電力の品質向上を図る。【解決手段】発電電力系統３の本線経路６に電流源８を挿設し、該電流源８から本線経路６に対して補償電流を付与することで、負荷４にかかる出力電圧と発電電力系統３からの出力電流との間に生じた位相のズレを補正する。これにより、負荷４に対して、力率に優れた高品質な電力を供給することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流発電機を含む発電電力系統と商用電力系統とが変圧器を介して連系されており、該商用電力系統からの商用電力に発電電力系統からの出力電力を重畳して負荷に供給する系統連系発電システムにおいて、
前記発電電力系統の本線経路に、前記負荷にかかる負荷電圧の位相と発電電力系統からの出力電流の位相を同位相とするための電流源を挿設したことを特徴とする系統連系発電システム。
【請求項２】
前記電流源が、前記商用電力系統から分岐して接続された補償用の変圧器と、該変圧器にて変圧された交流電力を直流電力に変換する交／直流変換器と、該交／直流変換器から供給された直流電力を補償電流に生成する直／交流変換器と、該直／交流変換器を制御する制御手段とを含むものである請求項１記載の系統連系発電システム。
【請求項３】
前記電流源が、前記交流発電機と並列に配置した補償用の交流発電機と、該補償用の交流発電機からの交流電力を直流電力に変換する交／直流変換器と、該交／直流変換器から供給された直流電力を補償電流に生成する直／交流変換器と、該直／交流変換器を制御する制御手段とを含むものである請求項１記載の系統連系発電システム。
【請求項４】
前記電流源が、前記商用電力系統の変圧器の出力から分岐して接続された直流電力に変換する交／直流変換器と、該交／直流変換器から供給された直流電力を補償電流に生成する直／交流変換器と、該直／交流変換器を制御する制御手段とを含むものである請求項１記載の系統連系発電システム。
【請求項５】
前記電流源が、前記交流発電機の出力から分岐して接続されて直流電力に変換する交／直流変換器と、該交／直流変換器から供給された直流電力を補償電流に生成する直／交流変換器と、該直／交流変換器を制御する制御手段とを含むものである請求項１記載の系統連系発電システム。
【請求項６】
前記電流源が、直／交流変換器と交／直流変換器を兼ねるものであり、該直／交流変換器に接続された直流キャパシタと、該直／交流変換器を制御する制御手段とを含むものである請求項１記載の系統連系発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関により駆動される交流発電機を含む発電電力系統と商用電力系統とが連系されている系統連系発電システムにおいて、交流発電機の発電電圧の動揺に起因する発電電力系統の出力変動を抑えて、負荷に供給される電力の品質向上を図る技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、電力会社より供給される商用電力系統に、分散型発電機を含む発電電力系統を接続した「系統連系発電システム」と称される発電システムが知られている。この系統連系発電システムに適用される分散発電機には、ソーラー発電器や原動発電機などがあり、とくに工場やビルなどの大、中規模な発電電力系統の発電機には、ガスエンジン、ディーゼルエンジン、ガスタービンなどの内燃機関により駆動される交流発電機が適用される。
【０００３】
しかし、この種の内燃機関により駆動される交流発電機では、構造上の問題や制御系の不完全性から脈動トルク（回転ムラ）が生じることがあり、また、脈動トルクを完全に排除することも難しい。このため、発電機の出力に電圧動揺が発生し、その結果、発電電力系統からの出力が変動するおそれがある。
【０００４】
かかる不具合を解決するものとして、特許文献１では、ディーゼル発電機の出力端から電力系統の連系点への経路にリアクトルを挿設することにより、ディーゼル発電機の電圧動揺を抑制して、発電電力系統からの出力の安定化を図っている。
【特許文献１】特開平１０−２５７６７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１のようなリアクトルだけでは、発電機の電圧動揺を効果的に排除して、発電電力系統からの出力を安定化させることは難しく、負荷に与えられる供給電力の品質向上には限界があった。
【０００６】
本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたものであり、交流発電機を含む発電電力系統と商用電力系統とが連系されている系統連系発電システムにおいて、交流発電機の発電電圧の動揺に起因する発電電力系統の出力変動を効果的に抑えて、負荷に与えられる供給電力の品質向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る本発明は、交流発電機を含む発電電力系統と商用電力系統とが変圧器を介して連系されており、該商用電力系統からの商用電力に発電電力系統からの出力電力を重畳して負荷に供給する系統連系発電システムにおいて、前記発電電力系統の本線経路に、前記負荷にかかる負荷電圧の位相と発電電力系統からの出力電流の位相を同位相とするための電流源を挿設したことを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の本発明のように、前記電流源は、前記商用電力系統から分岐して接続された補償用の変圧器と、該変圧器にて変圧された交流電力を直流電力に変換する交／直流変換器と、該交／直流変換器から供給された直流電力を補償電流に生成する直／交流変換器と、該直／交流変換器を制御する制御手段とを含むものとすることができる。
【０００９】
請求項３記載の本発明のように、前記電流源は、前記交流発電機と並列に配置した補償用の交流発電機と、該補償用の交流発電機からの交流電力を直流電力に変換する交／直流変換器と、該交／直流変換器から供給された直流電力を補償電流に生成する直／交流変換器と、該直／交流変換器を制御する制御手段とを含むものとすることができる。
【００１０】
請求項４記載の本発明のように、前記電流源は、前記商用電力系統の変圧器の出力から分岐して接続された直流電力に変換する交／直流変換器と、該交／直流変換器から供給された直流電力を補償電流に生成する直／交流変換器と、該直／交流変換器を制御する制御手段とを含むものとすることができる。
【００１１】
請求項５記載の本発明のように、前記電流源は、前記交流発電機の出力から分岐して接続されて直流電力に変換する交／直流変換器と、該交／直流変換器から供給された直流電力を補償電流に生成する直／交流変換器と、該直／交流変換器を制御する制御手段とを含むものとすることができる。
【００１２】
請求項６記載の本発明のように、前記電流源は、直／交流変換器と交／直流変換器を兼ねるものであり、該直／交流変換器に接続された直流キャパシタと、該直／交流変換器を制御する制御手段とを含むものとすることができる。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１記載の本発明においては、発電電力系統の本線経路に電流源を挿設し、該電流源から本線経路に対して補償電流を付与することで、負荷にかかる負荷電圧と発電電力系統からの出力電流との間に生じた位相のズレを補正して、これら負荷にかかる負荷電圧と発電電力系統からの出力電流の位相を同位相とした。これにより、負荷に対して高品質な電力を供給することができる。
【００１４】
請求項２記載の本発明のように、電流源への電力供給が商用電力系統から行われるようにしてあると、交流発電機の電圧変動の影響を受けることなく、商用電力系統から安定的な電力供給を受けることができるので、電流源による安定的な補償動作が確保され、信頼性に優れた系統連系電源システムを得ることができる。
【００１５】
請求項３記載の本発明のように、電流源への電力供給が、交流発電機と並列に配置した補償用の交流発電機から行われるようにしてあると、交流発電機の電圧変動の影響を受けることなく、補償用の交流発電機から安定的な電力供給を受けることができる。これにより、電流源による安定的な補償動作が確保され、信頼性に優れた系統連系電源システムを得ることができる。商用電力系統が停電状態となったときにも、補償用の交流発電機から電力供給を受けて、安定的な補償動作を行うことができる点でも優れている。
また、請求項２記載のシステム形態では、二つの変圧器を備えていたため、これら変圧器を設置するための広いスペースを要する点に不利がある。これに対して、請求項３に係るシステム形態によれば、補償用の変圧器を廃して、変圧器の個数を一つに減ずることができるので、請求項２に係るシステム形態に比べて、変圧器の設置スペースが小さくて済み、システムのコンパクト化を図ることができる点で優れている。
【００１６】
請求項４記載のように、商用電力系統の変圧器の出力から分岐された商用電力を電流源への供給電力としていると、交流発電機の電圧変動の影響を受けることなく、商用電力系統から安定的な電力供給を受けることができるので、電流源による安定的な補償動作が確保され、信頼性に優れた系統連系電源システムを得ることができる。
また、請求項２記載のシステム形態に比べて変圧器の個数を減ずることができるので、請求項２に比べて、変圧器の設置スペースが小さくて済み、システムのコンパクト化を図ることができる。また、請求項３のように補償用の専用の発電機を別途備える必要がなく、システムの構成部材の点数を抑えて、システムの全体コストの低減化を図ることができる。
【００１７】
請求項５記載の本発明のように、交流発電機の出力から分岐された該交流発電機からの発電電力を電流源への供給電力としていると、請求項２記載のシステム形態に比べて変圧器の個数を減ずることができるので、変圧器の設置スペースが小さくて済み、システムのコンパクト化を図ることができる。また、請求項３のように補償用の専用の発電機を別途備える必要がなく、システムの構成部材の点数を抑えて、システムの全体コストの低減化を図ることができる。
【００１８】
請求項６記載の本発明によれば、補償用の変圧器や交流発電機などを廃することができることに加えて、これら変圧器や交流発電機の交流電力を直流電力に変換するための交／直流変換器を廃することができるので、請求項２乃至５のシステム形態に比べて、システムのコンパクト化と、システムの全体コストの低減化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、本発明に係る系統連系発電システムの概略を示すシステム構成図である。
図１に示すように、この発電システムは、商用電力から供給される電圧を変圧器２により所望の電圧に変圧して供給する商用電力系統１と、この商用電力系統１に連系された発電電力系統３とで構成される。これら商用電力系統１からの商用電力と発電電力系統３からの出力電力は、重畳されたのちに負荷４に与えられる。
【００２０】
発電電力系統３は、エンジン発電機（交流発電機）５と、該エンジン発電機５の出力端から負荷４に至る本線経路６上に形成された連系リアクトル７と、該本線経路６上に挿設された電流源８とを備える。この電流源８は、本線経路６に対して補償電流を付与することにより、発電電力系統からの出力電流を、負荷電圧（商用電力系統１から変圧器２を介して出力される電圧）と同位相とすることを目的として設置される。
【００２１】
ここで、図１乃至図４を使って、電流源８から付与される補償電流による出力電流の補償方法を説明する。
図２（ａ）（ｂ）に、エンジン発電機５が、電圧変動を生じない正常な状態にあるときの電流と電圧の位相状態を示す。同図において、ＶＧはエンジン９により駆動される発電機５からの発電電圧、ＶＳは負荷電圧（商用電力系統１から変圧器２を介して出力される電圧）、ＶＬは連系リアクトル７で発生する電圧、ＩＳは発電電力系統３からの出力電流を示す。
【００２２】
図２（ｂ）に示すように、エンジン発電機５が電圧変動の無い正常状態にあるときには、出力電流（ＩＳ）と、負荷電圧（ＶＳ）とは同位相であり、エンジン発電機５の発電電圧（ＶＧ）は負荷電圧（商用電力系統１から変圧器２を介して出力される電圧）（ＶＳ）と連系リアクトル７で発生する電圧（ＶＬ）との和となり、連系リアクトル７で発生する電圧（ＶＬ）は、負荷電圧（ＶＳ）から９０°進みの位相となっている。つまり、（ＶＬ）と（ＶＳ）とは直交する関係となっている。
【００２３】
この状態を式に示すと以下の如くとなる。
・ＶＬ＝ＶＧ−ＶＳ
・ＩＳ＝ＶＬ／ｊＸＬ    （（ｊＸＬ）は、連系リアクタンス）
【００２４】
この状態から、図３（ｂ）に示すように、何らかの要因によりエンジン発電機５からの発電電圧（ＶＧ）に電圧変動が生じたとする。このように発電電圧（ＶＧ）が変動すると、連系リアクトル７で発生する電圧（ＶＬ）も変動して、この連系リアクトル７で発生する電圧（ＶＬ）に対して直交した位相となる出力電流（ＩＳ）の位相も変化して、負荷電圧（商用電力系統１から変圧器２を介して出力される電圧）（ＶＳ）の位相とが不一致となり、力率低下などの不具合を招く。このことは系統連結発電システムの電力品質が低下することを意味する。
【００２５】
図４に具体例を示す。いま、発電電圧（ＶＧ）が５％程度増加したとする。このように発電電圧（ＶＧ）に電圧変動が生じると、図４（ａ）に示すように、発電電力の出力電流（ＩＳ）の位相にズレが生じる。換言すれば、発電電力の出力電流（ＩＳ）の振幅と位相と、負荷に供給されるべき電流（ＩＳ＊）の振幅と位相の理想値との間にズレが生じる。
【００２６】
そこで、本発明に係る系統連系発電システムにおいては、図１に示すように本線経路６に電流源８を挿入（並列接続）して補償電流（ＩＣ）を付与することにより、出力電流（ＩＳ）と負荷電圧（ＶＳ）との間に生じた位相のズレを補正している。ここでは、図１（ｂ）に示すように、エンジン発電機５からの発電電流（ＩＧ）に正弦波状の補償電流（ＩＣ）を付与することで（図５（ｂ）参照）、負荷電圧（ＶＳ）と出力電流（ＩＳ）とを同位相とすることができる（図５（ｃ）参照）。
【００２７】
具体的には、以下の式が成り立つので、出力電流の瞬時値（ｉＳ）を検知し、これから負荷に供給されるべき電流の瞬時値（ｉＳ＊）を減ずることにより、補償電流の瞬時値（ｉＣ）を算出する。
・ｉＣ＝ｉＳ＊＋ｉＧ
【００２８】
以上のようにして得られた補償電流の瞬時値（ｉＣ）を本線経路６に付与することにより、発電電力系統３の出力電流の瞬時値（ｉＳ）と負荷電圧の瞬時値（ｖＳ）の位相とが一致して、負荷４に対して高品質な電力を供給することができる。
【００２９】
以下の第１乃至第５実施例に、電流源８及び制御の具体的構成を示す。
【００３０】
（第１実施例）
図６は、第１実施例に係る系統連系発電システムの回路構成図である（請求項２に対応）。そこでの電流源８は、本線経路６に並列配置されたコイル１０と、コイル１０に所定の電圧を出力して補償電流の瞬時値（ｉＣ）を生成する直／交流変換器（インバータ）１７と、直／交流変換器１７を制御するコントローラ１１と、直／交流変換器１７に直流電流を付与する交／直流変換器（コンバータ）１２と、直／交流変換器１７に付与される電力を安定させる直流キャパシタ１３とを含む。
前記直／交流変換器１７に電力を供給するために商用電力系統１から並列に分岐路１５を接続し、該分岐路１５に補償用の変圧器１６を接続して所望の電圧に変圧する。この変圧後の電力を交／直流変換器１２により交流電力から直流電力に変換する。また、補償用の変圧器１６と変圧器２の鉄心を同一とし、変圧器２に三次巻線を追加して交／直流変換器１２へ交流電力を供給しても良い。
【００３１】
コントローラ１１には、前記直／交流変換器１７と、発電電力系統３からの発電電圧の瞬時値（ｖＧ）を検知するための電圧センサ２０、負荷電圧（商用電力系統１から変圧器２を介して出力される電圧）の瞬時値（ｖＳ）を検知するための電圧センサ２１、本線経路６を流れる発電電流の瞬時値（ｉＧ）を検知するための電流センサ２２、本線経路６に与えられる補償電流の瞬時値（ｉＣ）を検知するための電流センサ２３などが接続されている。コントローラ１１に接続されたメモリ１８内には、該コントローラ１１を制御するためのプログラムなどが格納されている。
このような構成において、コントローラ１１は、これら各センサ２０・２１・２２・２３からの検出値に基づいて、先に述べたような手順で、本線経路６に対して付与すべき補償電流の瞬時値（ｉＣ）を算出し、かかる算出値に基づいて直／交流変換器１７の出力を制御して前述の補償電流の瞬時値（ｉＣ）が得られるようにする。
【００３２】
このように、電流源８への電力供給が商用電力系統１から行われるようにしてあると、エンジン発電機５の電圧変動の影響を受けることなく、商用電力系統１から安定的な電力供給を受けることができる。これにより、電流源８による安定的な補償動作が確保され、信頼性に優れた系統連系電源システムを得ることができる。
【００３３】
（第２実施例）
図７に本発明の第２実施例に係る系統連系発電システムを示す（請求項３に対応）。このシステムでは、発電電力系統のエンジン発電機５とは別に、補償用の交流発電機２５が並列に配置されており、電流源８への電力供給が、この補償用の交流発電機２５から行われるようにしてある点が、先の第１実施例と相違する。それ以外は、第１実施例と実質的に同じであるので、同一の部材には同一符号を付して、その説明を省略する。
つまり、直／交流変換器１７に電力を供給するために、商用電力系統１の代わりに補償用の交流発電機２５を並設して設け、該交流発電機２５をエンジン発電機５とともにエンジン９により駆動し、交流発電機２５からの交流電力を交／直流変換器１２に供給する。
【００３４】
このように電流源８への電力供給が補償用の交流発電機２５から行われるようにしてあると、エンジン発電機５の電圧変動の影響を受けることなく、交流発電機２５から安定的な電力供給を受けることができる。これにより、電流源８による安定的な補償動作が確保され、信頼性に優れた系統連系電源システムを得ることができる。
【００３５】
また、第１実施例に係るシステム形態では、二つの変圧器２・１６を備えていたため、これら変圧器２・１６を設置するための広いスペースを要する点に不利があった（図６参照）。これに対して、第２実施形態に係るシステム形態によれば、交流発電機２５により所望の電圧を発生させることができるので、補償用の変圧器１６を廃して、変圧器の個数を一つに減ずることができ、第１実施例に係るシステム形態に比べて、変圧器の設置スペースが小さくて済み、システムのコンパクト化を図ることができる点で優れている。
【００３６】
また、第１実施例に係るシステム形態では、商用電力系統１からの電力供給が停止したとき、すなわち、停電状態となったときには、該商用電力系統１から電力供給を受けることができず、直流キャパシタ１３の電力の蓄えが無くなると、電流源８による補償動作を行うことができない。これに対して、本実施例に係るシステム形態によれば、商用電力系統１が停電状態となったときにも、補償用の交流発電機２５から電力供給を受けて、安定的な補償動作を行うことができる。
【００３７】
（第３実施例）
図８に本発明の第３実施例に係る系統連系発電システムを示す（請求項４に対応）。このシステムでは、前記変圧器２の出力側に分岐路２６を設けて交／直流変換器１２と接続しており、この分岐路２６を介した商用電力系統１からの商用電力を電流源８への供給電力としている点が、先の第１実施例と相違する。それ以外は、第１実施例と実質的に同じあるので、同一の部材には同一符号を付して、その説明を省略する。
【００３８】
この第３実施例に係るシステム形態によれば、第１実施例においては必須の構成要素であった変圧器１６を廃して、第１実施例に比べて変圧器の個数を減ずることができるので、第１実施例に係るシステム形態に比べて、システムのコンパクト化と低コスト化を図ることができる。また、第２実施例のように補償用の専用の発電機２５を別途備える必要がなく、この点においてもシステムの構成部材の点数を抑えて、低コスト化を図ることができる。
【００３９】
（第４実施例）
図９に本発明の第４実施例に係る系統連系発電システムを示す（請求項５に対応）。かかるシステムは、発電電力系統のエンジン発電機５の出力から分岐路２７を分岐しており、この分岐路を介したエンジン発電機５からの発電電力を交／直流変換器１２に供給して、電流源８に補償電流を発生させている点が、先の第１実施例等と相違する。それ以外は、第１実施例等と実質的に同じであるので、同一の部材には同一符号を付して、その説明を省略する。
【００４０】
この第４実施例に係るシステム形態によれば、第１実施例に比べて変圧器の個数を減ずることができるので、第１実施例に係るシステム形態に比べて、変圧器の設置スペースが小さくて済み、システムのコンパクト化を図ることができる。また、第２実施例のように補償用の専用の発電機２５を別途備える必要がなく、システムの構成部材の点数を抑えて、システムの全体コストが安価に済む利点もある。
【００４１】
（第５実施例）
図１０に本発明の第５実施例に係る系統連系発電システムを示す。かかるシステムは、交／直流変換器を兼ねる直／交流変換器１７と、該直／交流変換器１７に接続された直流キャパシタ１３と、該直／交流変換器１７を制御するコントローラ１１とで構成される点が、先の第１実施例等と相違する。それ以外は、第１実施例等と実質的に同一であるので、同一部材には同一符号を付してその説明を省略する。
【００４２】
このシステムでは、エンジン発電機５が電圧変動のない正常状態においては、直／交流変換器１７はエンジン発電機５の出力電力を直／交流変換器１７で直流に変換して、直流キャパシタ１３の電圧に保持する。そして、コントローラ１１により電圧変動が生じたと判断した場合には、直／交流変換器１７により直流キャパシタ１３の電圧を一定に保ちつつ、直／交流変換器１７により所定の電流に変換されて出力され、コイル１０を介して補償電流（ＩＣ）として本線経路６に付与する。
【００４３】
以上のような構成からなる第５実施例に係る系統連系発電システムによれば、電流源８に電力を供給するための変圧器１６（図１等参照）や発電機２５（図７参照）などを完全に廃することができるので、システムのコンパクト化と低コスト化を図ることができる。しかも、直／交流変換器１７への直流電力供給用の交／直流変換器１２（図１等参照）を廃することができるので、この点においても、システムの構成部材の削減を図り、システムの全体コストの低減化を図ることができる。
【００４４】
なお、上記実施例１〜５においては商用電力系統の電圧が変動した場合でも、発電電力系統からの出力電流を理想値に補償することが可能である。一方、負荷変動により負荷電力に変動等が生じた場合には、エンジン側のガバナ等の回転数制御機構を制御して安定的に電力を供給したり、或いは、商用電源１から不足分を供給するようにしている。このため、本発明の電流源８は小容量の変換器で済むので、直流キャパシタ１３から電力を十分供給できるものである。そして、変動初期段階で補償することにより、次第に変動が大きくなる（変動が増幅する）ようなことがなく、品質の良い電力が得られるのである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】（ａ）は、本発明に係る系統連系発電システムの構成図、（ｂ）は、出力電流の補償方法を説明するための図である。
【図２】（ａ）（ｂ）は、本発明に係る系統連系発電システムによる出力電流の補償方法を説明するための図であり、発電電圧（ＶＧ）が電圧変動の無い正常状態にあるときの状態を示している。
【図３】（ａ）（ｂ）は、本発明に係る系統連系発電システムによる出力電流の補償方法を説明するための図であり、発電電圧（ＶＧ）が電圧変動を生じた状態を示している。
【図４】（ａ）は補償前の出力電流の位相状態を示す図、（ｂ）は補償電圧（ＩＣ）の状態（付与せず）を示す図である。
【図５】（ａ）は補償後の出力電流の位相状態を示す図、（ｂ）は補償電圧（ＩＣ）を示す図である。
【図６】本発明の第１実施例に係る系統連系発電システムの構成を示す図である。
【図７】本発明の第２実施例に係る系統連系発電システムの構成を示す図である。
【図８】本発明の第３実施例に係る系統連系発電システムの構成を示す図である。
【図９】本発明の第４実施例に係る系統連系発電システムの構成を示す図である。
【図１０】本発明の第５実施例に係る系統連系発電システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  商用電力系統
２  変圧器
３  発電電力系統
４  負荷
５  交流発電機（エンジン発電機）
６  本線経路
８  電流源
１１  制御手段（コントローラ）
１２  交／直流変換器
１３  直流キャパシタ
１７  直／交流変換器
２５  交流発電機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2007318929.tif 000006
【図５】
2007318929.tif 000007
【図６】
2007318929.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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