JP2005117842A - 発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】
エンジンの１サイクルに対応して発生する、高周波数の回転数変動に対して、回転数または、発電機出力を安定に制御し得る発電システムを提供する。
【解決手段】
エンジン２と、エンジン２によって駆動される回転子２０及び電力系統２１に接続された界磁巻線２３を有する固定子２２を備える発電機１と、回転子２０内の界磁巻線２３及び電力系統２１に接続された電力変換器４と、回転子２０に設置されたフライホイール３とを備える発電システムにおいて、電力変換器４によって電力系統２１から供給される交流電力を任意周波数の交流電力に変換し、界磁巻線２３を交流電力によって励磁する。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンと交流励磁発電機を備える発電システムに関するものである。

従来技術では、例えば特開平１０−２１０７９４号公報（以下、特許文献１と称す。）のように、エンジンと、インバータによって回転子巻線に可変周波数の交流励磁電流を供給する交流励磁発電機を組み合せた発電システムを用いることで、可変速運転を実現することにより任意の必要出力に対してエンジン最適点での運転を可能としたものがある。

特開平１０−２１０７９４号公報

一般に、エンジンによって駆動される発電システムでは、エンジンの周期運動に対応する高周波数の回転数変動が生じる。この回転数変動は、例えば４気筒エンジンであればエンジンの１サイクルの周波数に対して４倍の高周波数となり、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚと同程度、あるいはその数倍の高周波数になる。この回転数変動は、ピストン運動を回転運動に変換する必要のあるレシプロエンジンで特に大きくなる。

しかし、上記の従来技術では、エンジンの周期運動に対応して発生する、高周波数の回転数変動に対処する有用な手段を備えていないため、この回転数変動に応じて発電機出力の変動が発生することとなる。

本発明の目的は、エンジンの周期運動に対応して発生する、高周波数の回転数変動に対して、回転数または、発電機出力を安定に制御し得る発電システムを提供することにある。

本発明の一つの特徴は、エンジンと、エンジンによって駆動される回転子及び電力系統に接続された固定子巻線を有する固定子を備える発電機と、回転子内の界磁巻線及び電力系統に接続された電力変換器と、回転子に設置されたフライホイールとを備える発電システムにおいて、電力変換器によって電力系統から供給される交流電力を任意周波数の交流電力に変換し、界磁巻線を前記交流電力によって励磁することにある。

この際、界磁巻線に供給する電力量を発電機から出力される有効電力の算出値に基づいて変化させることによって、発電機出力の変動を抑え安定化させることができる。例えば、発電機電圧を検出する電圧検出装置と、発電機電圧と発電機電流から発電機出力の有効電力を検出する有効電力検出装置と、検出した電圧が指令値と一致するように励磁電流を制御する電圧制御装置と、検出した有効電力が指令値と一致するように励磁電流を制御する有効電力制御装置とを備えており、有効電力指令値に従って有効電力を一定にするように制御することにより、回転数変動によって生じる発電機出力の変動を抑制することができる。この結果、エンジンの周期運動に対応した回転数変動が発生しても発電機出力を安定に供給することができるため、通常回転数変動を抑制するために必要な前記フライホイールを軽量化、あるいは除去することが可能となる。

その他の本発明の特徴は、以下の発明の実施の形態でさらに詳細に説明される。

本発明によれば、エンジンの周期運動に対応して発生する、高周波数の回転数変動に対して、回転数または、発電機出力を安定に制御することができるため、フライホイールを軽量化、又は除去することができる。

以下に、本発明の実施例を説明する。図１は、本発明の第一の実施例を示す構成図である。本実施例では、エンジン２と、エンジン２によって駆動される回転子２０及び電力系統２１に接続された固定子巻線を有する固定子を備える発電機１と、回転子内の界磁巻線２３及び電力系統２１（電源）に接続された電力変換器４と、回転子２０に設置されたフライホイール３と、を備えている。電力系統２１から供給される交流電力は電力変換器４によって任意周波数に変換することができる。界磁巻線２３は任意周波数に変換された交流電力によって励磁される。また、この発電システムは、発電機出力の有効電力を検出する有効電力検出装置７と、検出した有効電力と有効電力指令値との差分を入力する有効電力制御装置８と、発電機電圧を検出する電圧検出装置５と、検出した発電機電圧と発電機電圧指令値Ｖｃとの差分を入力する電圧制御装置６とを備えており、界磁巻線２３を励磁する交流電流は有効電力及び発電機電圧が各々の指令値と一致するように制御される。電流制御装置９は、界磁電流を検出する手段を有する。

すなわち、電圧検出装置５で検出された発電機電圧Ｖｇと、外部から与えられる発電機電圧の指令値Ｖｃの差分を電圧制御装置６に入力する。電圧制御装置６は、例えば比例積分制御により構成された制御装置で、入力した電圧の誤差成分が零になるように、すなわち電圧検出値Ｖｇが電圧指令値Ｖｃに一致するように発電機電圧を決定づける界磁巻線の励磁電流の励磁成分指令値であるＩｄｃを決定する。

また、有効電力検出装置７は、発電機電圧Ｖｇと発電機電流Ｉ１より発電機出力の有効電力Ｐｄを検出する。有効電力の指令値Ｐｃは外部から入力され、この指令値Ｐｃと有効電力検出値Ｐｄの差を有効電力制御装置８に入力する。有効電力制御装置８は、例えば比例積分制御により構成された制御装置で、入力された有効電流の誤差成分が零となるように、すなわち有効電力検出値Ｐｄが有効電力指令値Ｐｃと一致するように、有効電力を決定付ける回転子電流のトルク成分指令値であるＩｑｃを決定する。

さらに、位相検出装置１０は、発電機電圧Ｖｇの電圧位相と回転子位置検出装置から得られる回転子位置信号ＲＰを用いて励磁位相を検出する。電流制御装置９は、位相検出装置１０から得られる位相信号ωを基準として界磁巻線２３の励磁電流を励磁成分とトルク成分に分解し、各々が指令値に一致するように電力変換器４を制御する。

ここで、前記ＩｄｃとＩｑｃは、次のように定義される。電流制御装置９では、発電機励磁電流Ｉｒｕ，Ｉｒｖ，Ｉｒｗの三相電流検出値を、位相信号ωを用いて、Ｉｄｃと
Ｉｑｃを数１により計算する。

図２に、本実施例におけるエンジン出力と、回転数，発電機出力（有効電力）の波形例を模式的に示す。ここで、図中の波形は、交流波形の基本波成分を取り除いた変動成分のみを表示している。

エンジン出力はエンジンの周期運動に対応する高周波数の回転数変動を生じるが、指令値に従って発電機出力（有効電力）を一定にするように制御される。この際、エンジン出力と発電機出力（有効電力）の差分は回転数を増加させる増速エネルギーとして作用するため、回転数変動は大きくなる。

この結果、エンジン特有の高周波数の回転数変動の影響を受けずに発電機出力を一定に制御することができるため、回転数を安定化させる役目を持つフライホイールを軽量化することができる。

なお、図１のシステム構成で、発電機出力（有効電力）の平均値（＝変動分を時間平均した値）を指令値に一致するように励磁電流を制御し、かつ発電機出力（有効電力）の変動分に対しては励磁電流を制御しないようにした場合、エンジン出力と、回転数，発電機出力（有効電力）の波形例は図３のようになる。この場合、励磁電流の制御によって回転子に供給される（又は回転子で消費される）回転エネルギー（前者は増速エネルギー、後者は減速エネルギーとなる）を最小限に抑制することができるので、システムの損失を低減することが可能である。

なお、図１の実施例において、フライホイールを用いない場合でも、図２、又は図３のような発電機出力の制御を実現することが可能であり、第一の実施例と同様の効果を達成することができる。すなわち、本実施例によれば、発電システムを省スペース化することが可能になる。

図４は、本発明の第二の実施例を示す構成図である。本実施例では、図１の実施例における発電機電圧を制御する代わりに無効電力を指令値に合わせて制御するものである。

無効電力検出装置１１は、発電機電圧Ｖｇと発電機電流Ｉ１から発電機出力の無効電力Ｑｄを検出する。無効電力の指令値Ｑｃは外部から入力され、この指令値Ｑｃと無効電力検出値Ｑｄの差分を無効電力制御装置１２に入力する。無効電力制御装置１２は、例えば比例積分制御により構成された制御装置で、入力された無効電流の誤差成分が零となるように、すなわち無効電力検出値Ｑｄが無効電力指令値Ｑｃと一致するように、無効電力を決定付ける回転子電流の励磁成分指令であるＩｑｃを決定する。

本実施例でも、図２、又は図３に示すような発電機出力（有効電力）の制御が可能であり、第一の実施例と同様の効果を達成することができる。

図５は、本発明の第三の実施例を示す構成図である。本実施例の構成は、図１の実施例に回転速度検出装置１３と回転速度制御装置１４を加えたものである。

回転速度検出装置１３は、回転子位置信号ＰＲから回転子の回転速度Ｎｄを検出し、その変動分ＤＮｄを算出する。回転速度変動分の指令値ＤＮｃは外部から入力され、この指令値ＤＮｃと回転速度変動の検出値ＤＮｄと差を回転速度制御装置１４に入力する。回転速度制御装置１４は、入力された回転速度変動の誤差成分が零となるように、すなわち回転速度変動検出値ＤＮｄが回転速度変動指令値ＤＮｃと一致するように、電力指令補正値ＤＰｃを出力する。

電力指令補正値ＤＰｃは有効電力指令値Ｐｃに加算される。以下、回転速度変動を抑制する場合として、指令値ＤＮｃを零に設定したケースを説明する。

図６に、本実施例におけるエンジン出力と、回転数，発電機出力（有効電力）の波形例を模式的に示す。

有効電力指令値は、外部から入力される指令値Ｐｃに、回転速度変動分を零にするように設定された補正値ＤＰｃが加算されるため、発電機出力（有効電力）の平均値を指令値に一致し、かつ回転速度変動を指令値に従って零にするように制御される。この際、エンジン出力と発電機出力（有効電力）の差分は回転数を増加させる増速エネルギーとして作用するため、発電機出力（有効電力）変動は大きくなる傾向にある。この結果、エンジン特有の高周波数の回転数変動を抑制することができるため、回転数を安定化させる役目を持つフライホイールを軽量化あるいは除去することが可能である。

図７は、本発明の第四の実施例を示す構成図である。本実施例では、図５の実施例における発電機電圧を制御する代わりに無効電力を指令値に合わせて制御するものである。

本実施例でも、図６に示すような回転速度の制御が可能であり、第三の実施例と同様の効果を達成することができる。

図８は、本発明の第五の実施例を示す構成図である。本実施例では、図１の実施例に有効電流変動制御装置を加えたものである。

一般に、電流制御装置９の制御ループは有効電力制御ループの内側にあるため、有効電力制御装置の応答は電流制御応答速度以上に上げることができず、第一の実施例では有効電力の変動がより高速になると、その変動を抑制できない場合がある。制御装置の演算処理時間（周期）を短くすれば電流制御の応答速度を上げることができ、電力制御の応答も上げることができるが、本実施例では演算処理時間を短くせずに高周波数の電力変動を抑制する方法を実現している。本実施例では、有効電流が有効電力の瞬時値に相当することを利用し、有効電力制御装置８では有効電力検出値Ｐｄの平均値が有効電力指令値Ｐｃと一致するように電流制御装置９への指令値を決定し、変動分については有効電流変動制御装置２４からの指令値を減算することにより、有効電力制御装置８では高周波数に対応する高速演算を不要にしている。有効電流制御装置２４は、例えば高周波成分を取り出すハイパスフィルタ、あるいは特定周波数成分のみを取り出すバンドパスフィルタ、等で構成される。

なお、本実施例では第一の実施例に有効電流変動制御装置を加えた例を説明したが、図９のように第二の実施例に有効電流変動制御装置を加えた場合でも、同様の効果を達成することができる。

本発明は、特にエンジンの形態を制限するものではなく、ロータリーエンジン，レシプロエンジンのどちらに対してもその効果を期待できる。このうち、ピストン運動を回転運動に変換する必要のあるレシプロエンジンは、回転軸の回転数変動が大きくなる傾向があるため、本発明の効果をより発揮することができる。

また、本発明は、エンジンの種類を制限するものではなく、ディーゼルエンジンやガスエンジン，予混合圧縮着火エンジン，スターリングエンジン、等のエンジンに対してその効果を期待できる。このうち、予混合圧縮着火エンジンは、燃焼過程でシリンダ内の混合気を圧縮する方式のエンジンで、燃焼条件の選定が難しいためディーゼルエンジンやガスエンジン、等の他のエンジンと比べて燃焼の不安定現象を起こしやすく、回転数変動が生じやすいという特徴を持つ。このため、本発明のエンジンに予混合圧縮着火エンジンを用いると、その効果をより発揮することができる。

本発明による発電システムの第一の実施形態を示す構成図。 発電機出力を制御した場合の波形例を示す特性図。 発電機出力を制御した場合の波形例を示す特性図。 本発明による発電システムの第二の実施形態を示す構成図。 本発明による発電システムの第三の実施形態を示す構成図。 回転速度を制御した場合の波形例を示す特性図。 本発明による発電システムの第四の実施形態を示す構成図。 本発明による発電システムの第五の実施形態を示す構成図。 本発明による発電システムの第六の実施形態を示す構成図。

符号の説明

１…発電機、２…エンジン、３…フライホイール、４…電力変換器、５…電圧検出装置、６…電圧制御装置、７…有効電力検出装置、８…有効電力制御装置、９…電流制御装置、１０…位相検出装置、１１…無効電力検出装置、１２…無効電力制御装置、１３…回転速度検出装置、１４…回転速度制御装置、２０…回転子、２１…電力系統、２２…固定子、２３…界磁巻線、２４…有効電流変動制御装置。

Claims (10)

1. エンジンと、
   前記エンジンによって駆動される回転子及び電源に接続された導線を有する固定子を備える発電機と、
   前記発電機から出力される有効電力を検出する検出手段と、
   前記回転子に配置された界磁巻線と、
   前記界磁巻線及び電源に電気的に接続された電力変換器とを備え、
   前記電源から供給される電力が前記電力変換器を介して前記界磁巻線に入力され、
   前記検出手段によって検出された有効電力に基づいて前記界磁巻線に入力される電気量を変化させる制御手段を備えることを特徴とする発電システム。
2. 請求項１において、前記制御手段は前記検出手段により検出された有効電力と所定の有効電力指令値との差分に基づいて前記界磁巻線に入力される電気量を変化させることを特徴とする発電システム。
3. 請求項２において、前記制御手段は前記検出手段により検出された有効電力と所定の有効電力指令値との差分が零に近づくように前記界磁巻線に入力される電流のトルク成分指令値を制御することを特徴とする発電システム。
4. 請求項１において、前記制御手段は前記検出手段により検出された有効電力の平均値に基づいて前記界磁巻線に入力される電力を変化させる制御手段を備えることを特徴とする発電システム。
5. エンジンと、
   前記エンジンによって駆動される回転子及び電源に接続された導線を有する固定子を備える発電機と、
   前記回転子の回転速度を検出する検出手段と、
   前記回転子に配置された界磁巻線と、
   前記界磁巻線及び電源に電気的に接続された電力変換器とを備え、
   前記電源から供給される電力が前記電力変換器を介して前記界磁巻線に入力され、
   前記検出手段によって検出された回転子の回転速度に基づいて前記界磁巻線に入力される電力を変化させる制御手段を備えることを特徴とする発電システム。
6. 請求項５において、前記制御手段は前記検出手段により検出された回転子の回転速度と所定の回転速度との差分に基づいて前記界磁巻線に入力される電気量を変化させることを特徴とする発電システム。
7. 請求項６において、前記制御手段は前記検出手段により検出された回転子の回転速度と所定の回転速度指令値との差分が零に近づくように前記界磁巻線に入力される電流のトルク成分指令値を変化させることを特徴とする発電システム。
8. エンジンと、
   前記エンジンによって駆動される回転子及び電源に接続された導線を有する固定子を備える発電機と、
   前記発電機から出力される有効電力を検出する有効電力検出手段と、
   前記発電機の回転子の回転速度を検出する回転速度検出手段と
   前記回転子に配置された界磁巻線と、
   前記界磁巻線及び電源に電気的に接続された電力変換器とを備え、
   前記電源から供給される電力が前記電力変換器を介して前記界磁巻線に入力され、
   前記有効電力検出手段によって検出された有効電力及び前記回転速度検出手段によって検出された回転速度に基づいて前記界磁巻線に入力される電力を変化させる制御手段を備えることを特徴とする発電システム。
9. 請求項１において、前記エンジンはレシプロエンジンであることを特徴とする発電システム。
10. 請求項１において、前記エンジンは予混合圧縮着火エンジンであることを特徴とする発電システム。
    

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