(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部商用電源の商用電力系統と、発電機の発電電力系統とを接続した送電系統を構成し、該送電系統から電力消費機器の需要電力を賄うとともに、発電に伴い発電機で生じる排熱を排熱回収装置により回収して水の熱交換を行うコージェネレーションシステムであって、前記発電機は複数の電機子巻線を備え、各電機子巻線から出力される三相交流出力は、電機子巻線と同数備えられたインバーターを介し、単相の商用電力系統のＵ相―Ｏ相―Ｗ相、又は三相の商用電力系統のＵ相―Ｖ相―Ｗ相に接続されるコージェネレーションシステム。
【請求項２】
前記三相交流出力が接続される単相又は三相の商用電力系統の各相に負荷電流検出用変流器を設け、該負荷電流検出用変流器により検出される商用電力系統の電力値をインバーターが算出し、該インバーターが電力消費機器への発電電力系統の出力電力を制御する請求項１に記載のコージェネレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コージェネレーションシステムに関するものであって、詳しくはコージェネレーションシステムに備える発電機の回転子の構成、及び該発電機からの発電電力を調整するインバーターの構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電力消費機器（負荷）への送電系統に、外部商用電源の商用電力系統と、発電機の発電電力系統を接続し、電力消費機器（負荷）の需要電力を賄うとともに、発電に伴い発電機で生じる排熱を回収し、該回収熱を利用し水の熱交換を行う、コージェネレーションシステムが広く使用されるようになっている。
前記発電電力は、コージェネレーションシステム内部に備えたインバーターにより、商用電力と合わせて需要電力になるように制御されている。このような制御のシステムは、発電電力系統と、商用電力系統とを、連系して行っていることから、系統連系システムといわれている。
【０００３】
前記発電機には、ガスエンジンやディーゼルエンジン等が適用されており、該発電機の出力に対応した容量のインバーターが備えられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したインバーターは、発電機の出力に対応するため、高出力の発電機には必然的に大型のインバーターの装備が要求され、コージェネレーションシステムのコストを高めてしまっていた。
本発明は、以上の問題点に鑑み、発電機容量に比べて、小容量のインバーターの装備を可能にする技術を提案するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の解決しようとする課題は以上のごとくであり、次に該課題を解決する為の手段を説明する。
すなわち、請求項１に記載のごとく、外部商用電源の商用電力系統と、発電機の発電電力系統とを接続した送電系統を構成し、該送電系統から電力消費機器の需要電力を賄うとともに、発電に伴い発電機で生じる排熱を排熱回収装置により回収して水の熱交換を行うコージェネレーションシステムであって、前記発電機は複数の電機子巻線を備え、各電機子巻線から出力される三相交流出力は、電機子巻線と同数備えられたインバーターを介し、単相の商用電力系統のＵ相―Ｏ相―Ｗ相、又は三相の商用電力系統のＵ相―Ｖ相―Ｗ相に接続されることである。
【０００６】
また、請求項２に記載のごとく、前記三相交流出力が接続される単相又は三相の商用電力系統の各相に負荷電流検出用変流器を設け、該負荷電流検出用変流器により検出される商用電力系統の電力値をインバーターが算出し、該インバーターが電力消費機器への発電電力系統の出力電力を制御することである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
図１は発電機に二つの電機子巻線を備えたコージェネレーションシステムの回路図、図２は発電機に複数（ｎ個）の電機子巻線を備えたコージェネレーションシステムの回路図、図３は三相商用電力系統にインバーター出力を接続させる実施例を示すコージェネレーションシステムの回路図である。
【０００８】
〔コージェネレーションシステムの構成〕
まず、図１を用いて本発明に係るコージェネレーションシステム１について説明する。尚、図１は、単相三線商用電力系統（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｏ相（中性線））における実施例を示すものであり、図中には、説明の便宜のため、Ｕ相、Ｗ相、及びＯ相（中性線）を示すものとする。
コージェネレーションシステム１は、主として原動機２、発電機３、排熱回収設備４、制御装置５、インバーター６ａ・６ｂからなる。
【０００９】
原動機２付近には、ラジエータファン７が備えられている。そして、原動機２の循環冷却水８を、排熱回収設備４にて、熱消費装置（図示せず）からの戻り温水（循環湯９）と熱交換させている。
また、原動機２には、スタータ１０を備え、該スタータ１０への電力供給は、後述する送電系統Ｕ３・Ｗ３（発電電力系統Ｕ２・Ｗ２を含む）からトランス１１を介して行われている。
【００１０】
発電機３は、原動機２の駆動シャフトにつながる回転軸１２に、直流電源で励磁される界磁巻線を有する回転子（図示しない）を備え、固定子（図示しない）に備えた電機子巻線２０ａ・２０ｂから三相出力３０ａ・３０ｂを取り出す構成としている。このように、発電機３の構成は、電機子巻線２０ａ・２０ｂを固定子側に設けた回転界磁形としても良いし、この他に、電機子巻線２０ａ・２０ｂが回転する電機子界磁形とすることが出来る。
【００１１】
発電機３からの三相出力３０ａ・３０ｂは、ダイオード２１ａ・２１ｂ及びコンデンサ２２ａ・２２ｂにより整流・平滑され、インバーター６ａ・６ｂの直流入力部に接続される。そして、該インバーター６ａ・６ｂからは、発電電力系統Ｕ２・Ｗ２が出力されている。
【００１２】
以上に述べたコージェネレーションシステム１の主構成要素である原動機２、発電機３、排熱回収設備４、インバーター６ａ・６ｂは制御装置５により制御が行われている。さらに、該制御装置５の動作状態を表示・変更等を行う操作表示器２８及び遠隔操作表示器２９により、コージェネレーションシステム１のシステムの管理を行うように構成している。
【００１３】
〔系統連系の構成〕
図１は、単相三線商用電力系統に系統連系させる実施例を示すものである。
外部商用電源４０からは、単相三線２００Ｖの商用電力系統Ｕ１（Ｕ相）・Ｗ１（Ｗ相）・Ｏ１（中性線）が引かれている。該商用電力系統Ｕ１・Ｗ１（Ｕ相、Ｗ相）に、コージェネレーションシステム１からの発電電力系統Ｕ２・Ｗ２が並列に接続される。以上の商用電力系統Ｕ１・Ｗ１・Ｏ１及び発電電力系統Ｕ２・Ｗ２の電力が、送電系統Ｕ３・Ｗ３・Ｏ３を通り電力消費機器（負荷）２４・２４・・・へ送電されている。
【００１４】
また、商用電力系統Ｕ１・Ｗ１には、負荷電流検出用変流器（カレントトランス）ＣＴ１・ＣＴ２が設けられている。
該負荷電流検出用変流器ＣＴ１・ＣＴ２により、商用電力系統Ｕ１・Ｗ１の電力値を、複数台備えたインバーター６ａ・６ｂのうちの一台のインバーター６ａが算出する。そして、該インバーター６ａが、商用電力系統Ｕ１・Ｗ１の電力値が一定とするために、電力消費機器２４・２４・・・に供給するインバーター６ａ・６ｂの合計出力を演算し、合計出力をインバーターの台数分（図１の実施例では２、図２の実施例ではｎ）割った出力を計算する。
複数台のインバーター６ａ・６ｂはマルチドロップ方式で通信されており、商用電力系統Ｕ１・Ｗ１の電力値を算出するインバーター６ａが、他のインバーター６ｂへ出力設定値を送信する。そして、インバーター６ｂは、インバーター６ａからの出力設定値に合わせるように出力制御を行う。
【００１５】
以上の系統連系によって行われるコージェネレーションシステム１の動作の具体例を以下に説明する。
（１）電力消費機器の消費電力が増加した場合
送電系統Ｕ３・Ｗ３における需要電力が増加し、これに応じて商用電力系統Ｕ１・Ｗ１に流れる電力量が増加する。
そして、商用電力系統Ｕ１・Ｗ１の電力量の増加値は、負荷電流検出用変流器ＣＴ１・ＣＴ２からインバーター６ａが算出する。
インバーター６ａは、インバーター６ａ・６ｂの出力を増加させるように制御する。
【００１６】
（２）電力消費機器の消費電力が減少した場合
送電系統Ｕ３・Ｗ３における需要電力が減少し、これに応じて商用電力系統Ｕ１・Ｗ１に流れる電力量が減少する。
そして、商用電力系統Ｕ１・Ｗ１の電力量の減少値は、負荷電流検出用変流器ＣＴ１・ＣＴ２からインバーター６ａが算出する。
インバーター６ａは、インバーター６ａ・６ｂ合計の出力を減少させるようにインバーター６ａ・６ｂを制御する。
【００１７】
〔発電機の電機子の複数巻線の構成〕
図１に示すごとく、発電機３には、一つの回転子に対して二つの電機子巻線２０ａ・２０ｂが備えられた構成としている。
尚、該実施例に限るものではなく、一つの固定子に、二つの電機子巻線２０ａ・２０ｂを構成しても良く、また、二つの電機子巻線２０ａ・２０ｂに夫々一つずつの回転子を構成しても良い。
また、図１及び図２に示す電機子巻線２０ａ・２０ｂの図示は、発電部であることを明確にする表現するため、発電機の記号を使用している。
【００１８】
以上の構成により、図１に示すごとく、各電機子巻線２０ａ・２０ｂからは、別個に三相出力３０ａ・３０ｂが取り出され、さらに三相出力３０ａ・３０ｂは、夫々ダイオード２１ａ・２１ｂ及びコンデンサ２２ａ・２２ｂにより整流・平滑され、インバーター６ａ・６ｂの直流入力部に接続される。そして、該インバーター６ａ・６ｂからの出力を統合して、コージェネレーションシステム１全体として一つの発電電力系統Ｕ２・Ｗ２が形成されている。
【００１９】
以上の構成をより単純化して、電機子の巻線の数をｎ個（複数）とした例を図２に示す。
この例においては、回転軸にｎ個（複数）の電機子巻線２０ａ・２０ｂ・・・が備えられ、夫々の電機子巻線２０ａ・２０ｂ・・・に対応するように、三相出力３０ａ・３０ｂ・・・、ダイオード２１ａ・２１ｂ・・・、コンデンサ２２ａ・２２ｂ・・・及びインバーター６ａ・６ｂ・・・が構成されている。
尚、発電機３内の構成の詳細については、上記二つの電機子巻線を構成した場合の例と同様とする。
【００２０】
〔発電機の電機子を複数巻線としたことによる効果〕
図１に示した実施例においては、電機子巻線２０ａ・２０ｂを二つに構成したので、両電機子巻線２０ａ・２０ｂにより発電される電力を合計した値が発電電力系統Ｕ２・Ｗ２の出力となる。即ち、各電機子巻線２０ａ・２０ｂの出力は、一つの電機子巻線で発電機３を構成した場合と比較して、半分（１／２）の出力となるのである。
【００２１】
このことに対応して、インバーター６ａ・６ｂが対応する電力量（容量）は、各電機子巻線２０ａ・２０ｂの出力に対応すればよいことから、一つの電機子巻線で構成したときのインバーターの容量と比較して、半分（１／２）であればよいことになる。即ち、インバーター６ａ・６ｂには、一つの電機子巻線で構成したときに備えられるインバーターよりも、小型でコストが安く、小電力の安定した出力が可能なものを適用（装備）する事ができるのである。
【００２２】
さらに、二つのうちの一つのインバーター６ｂを解列の状態とすれば、インバーター６ａの出力のみとなるため、一つのインバーターで構成する場合と比較して、半分（１／２）の容量の電力（小電力）の出力が可能となる。即ち、負荷の消費電力が少量（微量）となった場合においても、余剰の電力の出力を行うことなく、逆潮流の不具合は生じないのである。
【００２３】
また、図２に示した実施例においては、各電機子巻線２０ａ・２０ｂ・・・の出力は、一つの電機子巻線で発電機３を構成した場合と比較して、１／ｎの出力となり、インバーター６ａ・６ｂ・・・は、一つの電機子巻線で構成した場合と比較して、１／ｎの容量のものが適用可能となり、より少量の電力（１／ｎ）の出力が可能となる。
【００２４】
〔コージェネレーションシステムの仕様の設計〕
電機子巻線２０・２０・・・の個数の選定により、上述した効果を奏する、低出力から高出力の広い範囲での発電に対応したコージェネレーションシステム１の設計が可能となる。
例えば、電機子巻線２０・２０・・・の個数が多いほど、夫々の電機子巻線２０・２０・・・に対応するインバーター６・６・・・が管理する電力容量を小さくすることができることになる。ただし、個数の選定においては、多部品（多構成）による複雑化とコストの面を考慮することはいうまでもない。
また、電機子巻線２０・２０・・・の個数により、発電機の最小出力と最大出力の仕様を変更することが可能となるので、コージェネレーションシステムの各構成部品を単一化すれば、出力の仕様に応じた各構成部品の数を選択するだけでよいので、製造者にとっては、製作面や各構成部品のストックの面から、コストを大幅に削減することが可能となるとともに、顧客の要望に応じた仕様のコージェネレーションシステムを提供することが可能となる。
【００２５】
〔三相商用電力系統にインバーター出力を接続させる実施例〕
図３は、三相商用電力系統Ｕ１・Ｖ１・Ｗ１に、インバーター出力Ｕ２・Ｖ２・Ｗ２を接続し、三相負荷５０・５０・・・に電力供給を行う実施例を示したものである。
本実施例においては、インバーター６ａ・６ｂからは、三相のインバーター出力Ｕ２・Ｖ２・Ｗ２を出力し、三相商用電力系統Ｕ１・Ｖ１・Ｗ１のＵ相・Ｖ相・Ｗ相に接続させる。
また、負荷５０・５０・・・の電力消費量の算出は、三相商用電力系統Ｕ１・Ｖ１・Ｗ１にそれぞれ備えられた負荷電流検出用変流器ＣＴ１・ＣＴ２・ＣＴ３から、インバーター６ａ・６ｂに取り込むことにより行われる。
このように、本発明のコージェネレーションシステムは、上述した単相商用電力系統のみならず、三相商用電力系統にも適用可能なのである。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は以上のごとく構成したので、次のような効果を奏するのである。すなわち、請求項１のごとく、外部商用電源の商用電力系統と、発電機の発電電力系統とを接続した送電系統を構成し、該送電系統から電力消費機器の需要電力を賄うとともに、発電に伴い発電機で生じる排熱を排熱回収装置により回収して水の熱交換を行うコージェネレーションシステムであって、前記発電機は複数の電機子巻線を備え、各電機子巻線から出力される三相交流出力は、電機子巻線と同数備えられたインバーターを介し、単相の商用電力系統のＵ相―Ｏ相―Ｗ相、又は三相の商用電力系統のＵ相―Ｖ相―Ｗ相に接続されるので、例えば、電機子巻線の個数をｎ個（二以上の自然数）とした場合において、各電機子巻線の出力は、一つの電機子巻線で発電機を構成した場合と比較して、１／ｎの出力となる。該出力が入力されるインバーターにおいては、電機子巻線を１個で構成した場合と比較して、１／ｎの容量のものを適用可能となることからコストが削減できる。
【００２７】
また、請求項２に記載のごとく、前記三相交流出力が接続される単相又は三相の商用電力系統の各相に負荷電流検出用変流器を設け、該負荷電流検出用変流器により検出される商用電力系統の電力値をインバーターが算出し、該インバーターが電力消費機器への発電電力系統の出力電力を制御するので、小容量のインバーターにより、少量の電力（１／ｎ）を安定して出力することが可能となり、商用電力系統への逆潮流を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発電機に二つの電機子巻線を備えたコージェネレーションシステムの回路図である。
【図２】発電機に複数（ｎ個）の電機子巻線を備えたコージェネレーションシステムの回路図である。
【図３】三相商用電力系統にインバーター出力を接続させる実施例を示すコージェネレーションシステムの回路図である。
【符号の説明】
１              コージェネレーションシステム
２              原動機
３              発電機
４              排熱回収設備
６ａ・６ｂ      インバーター
２０ａ・２０ｂ  電機子巻線
３０ａ・３０ｂ  三相出力
４０            外部商用電源
【図１】
0003834481.tif 000002
【図２】
0003834481.tif 000003
【図３】
0003834481.tif 000004