JP2005348481A - 発電システム及び発電システムの電力供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 交流発電機が過負荷状態となった場合に、交流発電機の過負荷量を小さくして制御遅れを小さくできる発電システムの電力供給方法を提供する。
【解決手段】 直流電力を交流電力に変換するインバータ２の直流側に、商用電源４からの交流電力を直流電力に変換する第１コンバータ６と、交流発電機１０からの交流電力を直流電力に変換する第２コンバータ１２とを並列的に接続し、インバータ２の交流側に接続した電力負荷１４に商用電源４及び交流発電機１０からの電力を供給する。電圧調整手段３０は、電圧追従信号２４に基づき、交流発電機１０の出力電圧が商用電源４の供給電圧よりも所定値高くなるように、交流発電機１０の出力電圧を商用電源４の供給電圧に追従して変動させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、コージェネレーションシステムなどに用いられ、ガスエンジンやガスタービン等の回転型原動機に駆動連結された交流発電機、及び商用電源からの電力を電力負荷へ分担供給する発電システム及び発電システムの電力供給方法に関する。

従来より、ガスエンジンやガスタービン等の回転型原動機に駆動連結された交流発電機、及び商用電源からの電力を電力負荷へ分担供給する発電システムが知られており、この発電システムは、効率的なエネルギー利用の実現に向けて関心が高まっているコージェネレーションシステムなどに利用されている。

この発電システムは、直流電力を交流電力に変換するインバータと、商用電源からの交流電力を直流電力に変換する第１コンバータと、交流発電機からの交流電力を直流電力に変換する第２コンバータと、を備えており、第１及び第２コンバータがインバータの直流側に並列的に接続され、インバータの交流側に電力負荷が接続され、商用電源及び交流発電機からの電力がインバータを介して電力負荷に分担して供給される。そして、通常運転時は交流発電機からの電力が優先的に電力負荷に供給され、また電力負荷の負荷量が増加するなどして交流発電機の交流電力の定格値を越える過大な電力が要求された時には、商用電源からの電力を受電して不足分の電力が商用電源から電力負荷に供給される。交流発電機の負荷分担率を上げて、交流発電機からの電力を優先的に電力負荷に供給させるために、第２コンバータの出力電圧を第１コンバータの出力電圧よりも高く設定する方法が従来より行われている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。

特開平１１−１８７６９８号公報 特開２００４−４０９３０号公報

第２コンバータの出力電圧を第１コンバータの出力電圧よりも高く設定するには、交流発電機の出力電圧を商用電源の供給電圧よりも高く設定すればよく、このように交流発電機の出力電圧を調整するために例えば自動電圧調整器（ＡＶＲ；Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）などが用いられる。

一般に、電力会社が各需要家に商用電源からの電力を供給する際、各需要家の受電の状況により、各需要家の受電する商用電源の供給電圧が変動する場合がある。例えば、冷暖房機器や工場などで使用される２００Ｖ系の商用電源では、２０２Ｖ±２０Ｖ（すなわち、１８２Ｖ〜２２２Ｖ）の範囲で供給電圧が変動する。したがって、２００Ｖ系商用電源の場合、交流発電機の出力電圧は、少なくとも２２２Ｖ（商用電源の供給電圧の変動幅の最大値）よりも高く設定する必要があり、その出力電圧が例えば２３０Ｖに設定される。

このような発電システムにおいて、新たな電力負荷が投入されて負荷量が増加したり、商用電源に瞬時停電（いわゆる、「瞬停」）が生じて瞬間的（約数ｍｓ〜数ｓ）に商用電源の供給が停止した場合などでは、過負荷状態となって交流発電機の交流電力が定格値を超えてしまい、交流発電機の運転に多大な負担がかかって交流発電機が故障する恐れがある。このような過負荷状態による故障を防止するために、自動電圧調整器（ＡＶＲ）が設けられ、交流発電機の交流電力が定格値を超えた場合には、自動電圧調整器により交流発電機の出力電圧が低下される。このようにして交流発電機の出力電圧が低下すると、交流発電機の負荷分担率が下がり、電力の不足分が商用電源から供給され、交流発電機が過負荷状態から正常状態へと戻り、このようにして過負荷状態が回避される。なお、過負荷状態における交流発電機に分担された電力負荷の負荷量を過負荷量という。

具体的には、交流発電機の出力電流が変流器により検出された後、変流器からの電流が整流、平滑され、このようにして交流発電機の出力電流が検出電流として得られる。この検出電流はオペアンプに送給され、オペアンプにて検出電流値と設定電流値とが比較される。検出電流値が設定電流値よりも高い場合には、オペアンプより電流制限信号が自動電圧調整器に送出される。そして、自動電圧調整器はこの電流制限信号に基づいて交流発電機の出力電圧を低下させ、交流発電機の出力電流が制限され（これを「限流動作」という）、これにより、過負荷量が減じて交流発電機の交流電力が定格値以下に低下される。

しかしながら、上述のような従来の発電システムでは、次のような問題がある。検出電流値が設定電圧値よりも高くなってから交流発電機の出力電圧を低下させるまでの間は限流動作が行われないため、この間は制御遅れが生じるようになり、制御遅れが大きいほど、交流発電機の過負荷量も大きくなる。この制御遅れは、交流発電機の出力電圧と商用電源の供給電圧との電圧差、及びオペアンプの負帰還回路を構成するコンデンサ容量の大きさに影響される。例えば、交流発電機の出力電圧が２３０Ｖに設定され、商用電源の供給電圧が２０２Ｖ±２０Ｖの範囲で変動して例えば１８２Ｖであったとすると、その電圧差は４８Ｖとなって比較的大きな電圧差となり、上述した制御遅れが大きくなって交流発電機の過負荷量も大きくなってしまう。また、オペアンプの負帰還回路を構成するコンデンサ容量を小さくすると、この制御遅れを小さくできるものの、通常運転時にハンチング（制御応答結果が振動すること）が発生しやすくなり、制御の安定性を損なってしまう。

本発明の目的は、交流発電機が過負荷状態となった場合などにおいて、交流発電機の過負荷量を小さくして制御遅れを小さくすることが可能な発電システム及び発電システムの電力供給方法を提供することである。

本発明の請求項１に記載の発電システムの電力供給方法では、直流電力を交流電力に変換するインバータの直流側に、商用電源からの交流電力を直流電力に変換する第１コンバータと、交流発電機からの交流電力を直流電力に変換する第２コンバータとを並列的に接続し、前記インバータの交流側に接続した前記電力負荷に前記商用電源及び前記交流発電機からの電力を供給する発電システムの電力供給方法であって、前記交流発電機の出力電圧が前記商用電源の供給電圧よりも所定値高くなるように、前記交流発電機の出力電圧を前記商用電源の供給電圧に追従させるように変動させることを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の発電システムでは、直流電力を交流電力に変換するインバータと、商用電源からの交流電力を直流電力に変換する第１コンバータと、回転型原動機に駆動連結された交流発電機と、前記交流発電機からの交流電力を直流電力に変換する第２コンバータと、を具備し、前記第１及び第２コンバータが前記インバータの直流側に並列的に接続され、前記インバータの交流側に電力負荷が接続され、前記交流発電機及び前記商用電源からの電力が前記インバータを介して前記電力負荷に供給される発電システムであって、前記商用電源の供給電圧に基づいて電圧追従信号を生成するための電圧追従信号生成手段と、前記電圧追従信号に基づいて前記交流発電機の出力電圧を調整するための電圧調整手段と、を備え、前記電圧調整手段は、前記交流発電機の出力電圧を検知するための出力電圧検知手段を含み、前記出力電圧検知手段の電圧検知信号及び前記電圧追従信号生成手段の前記電圧追従信号に基づいて、前記交流発電機の出力電圧が前記商用電源の供給電圧よりも所定値高くなるように、前記交流発電機の出力電圧が前記商用電源の供給電圧に追従して変動されることを特徴とする。

さらに、本発明の請求項３に記載の発電システムでは、前記交流発電機の交流電力の電流を制限するための電流制限手段が設けられ、前記電流制限手段は、前記交流発電機の出力電流を検知するための出力電流検知手段を含み、前記出力電流検知手段の検知電流値が設定電流値を超えると、前記電流制限手段は電流制限信号を生成し、前記電圧調整手段は、前記電流制限信号に基づいて前記交流発電機の出力電圧を低下させることを特徴とする。

さらにまた、本発明の請求項４に記載の発電システムでは、前記電圧調整手段は、前記回転型原動機の回転数を制御するための回転数調整手段を含み、前記回転数調整手段は、前記出力電圧検知手段の前記電圧検知信号及び前記電圧追従信号生成手段の前記電圧追従信号に基づいて、前記回転型原動機の回転数を調整することを特徴とする。

また、本発明の請求項５に記載の発電システムでは、前記電圧調整手段は、前記交流発電機の界磁電流を制御するための界磁電流制御手段を含み、前記界磁電流制御手段は、前記出力電圧検知手段の前記電圧検知信号及び前記電圧追従信号生成手段の前記電圧追従信号に基づいて、前記交流発電機の界磁電流を調整することを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の発電システムの電力供給方法によれば、交流発電機の出力電圧が商用電源の供給電圧よりも所定値高くなるように、交流発電機の出力電圧を商用電源の供給電圧に追従するように変動させたので、交流発電機の出力電圧と商用電源の供給電圧との電圧差を小さく保っても交流発電機の出力電圧を商用電源の供給電圧よりも常に高く保つことが可能となる。その結果、電力負荷の負荷量が増加するなどした場合に、両者間の電圧差を小さく保つように設定することによって、交流発電機の過負荷量を減じることができるとともに、その際の制御遅れを小さくすることができ、交流発電機の運転にかかる負担を極力小さくすることが可能となる。

また、本発明の請求項２に記載の発電システムによれば、商用電源の供給電圧に基づいて電圧追従信号を生成するための電圧追従信号生成手段が設けられ、交流発電機の出力電圧を検知するための出力電圧検知手段の電圧検知信号及び電圧追従信号生成手段の電圧追従信号に基づいて、交流発電機の出力電圧が商用電源の供給電圧よりも所定値高くなるように、交流発電機の出力電圧が商用電源の供給電圧に追従して変動されるので、交流発電機の出力電圧と商用電源の供給電圧との電圧差を常に一定に保ち、その電圧差を小さく保つことが可能となる。その結果、電力負荷の負荷量が増加するなどした場合に、両者間の電圧差が小さくなる、例えば５Ｖ程度となるように設定することによって、交流発電機の過負荷量を減じることができるとともに、その際の制御遅れを小さくすることができ、交流発電機の運転にかかる負担を極力小さくすることが可能となる。

さらに、本発明の請求項３に記載の発電システムによれば、交流発電機の出力電流を制限するための電流制限手段が設けられ、交流発電機が過負荷状態となってその交流電力が定格値を超える、すなわち出力電流検知手段の検知電流値が設定電流値を超えた場合に、電流制限手段が電流制限信号を生成し、この電流制限信号に基づいて交流発電機の出力電圧が低下される。その結果、交流発電機の出力電流が低下し、交流発電機の交流電力を定格値以下に低下させることが可能となる。

さらにまた、本発明の請求項４に記載の発電システムによれば、回転型原動機の回転数を制御するための回転数調整手段が設けられているので、交流発電機が誘導発電機の場合に、界磁電流を一定に保ったままで、回転型原動機の回転数を制御することによって、交流発電機の出力電圧を調整することが可能となる。

また、本発明の請求項５に記載の発電システムによれば、交流発電機の界磁電流を調整するための界磁電流制御手段が設けられているので、交流発電機が同期発電機の場合に、回転型原動機の回転数を一定に保ったままで、交流発電機の界磁電流を調整することによって、交流発電機の出力電圧を調整することが可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明に従う発電システム及び発電システムの電力供給方法の一実施形態について説明する。図１は、本発明による発電システムを示す概略構成図であり、図２は、図１の発電システムの制御系を示すブロック図であり、図３は、本発明の発電システムによる交流発電機の交流電力波形等を示す図であり図４は、従来の発電システムによる交流発電機の交流電力波形等を示す図である。

図１において、本発明による発電システムは、直流電力を交流電力に変換するインバータ２と、商用電源４からの交流電力を直流電力に変換する第１コンバータ６と、回転型原動機８に駆動連結された交流発電機１０と、交流発電機１０からの交流電力を直流電力に変換する第２コンバータ１２と、を備えている。また、第１コンバータ６及び第２コンバータ１２はインバータ２の直流側に並列的に接続され、インバータ２の交流側には電力負荷１４，１６，１８が接続されている。交流発電機１０及び商用電源４からの電力は、インバータ２を介して電力負荷１４，１６，１８に分担供給される。なお、第１及び第２コンバータ６，１２は、例えば逆流を防止する逆流防止用コンバータから構成される。

インバータ２は、例えば半導体スイッチ（例えば、サイリスタ、パワートランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等）で構成され、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置である。インバータ２の出力電圧波形は、正弦波形となる。また、第１コンバータ６及び第２コンバータ１２は、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置である。

商用電源４は、例えば３相２００Ｖの供給電圧を有する商用電力を供給し、この電力は電力会社から供給される。そして、この供給電圧は、例えば２０２Ｖ±２０Ｖの範囲で変動する。

交流発電機１０は、例えば同期発電機で構成され、ガスエンジン、ディーゼルエンジン、ガスタービン又はスターリングエンジン等の回転型原動機８に駆動軸２０を介して駆動連結されている。この交流発電機１０は、回転型原動機８の駆動軸２０の回転により駆動され、所定方向に回転駆動することにより発電を行う。ここで、同期発電機とは、界磁の作る磁界が電機子巻線を横切る回転速度に同期した電力を発電する発電機である。この実施形態では、回転型原動機８の回転数が一定に、例えば２０００ｒｐｍに保たれ、この回転数によって、交流発電機１０の出力電圧の周波数が決定される。交流発電機１０の出力電圧はその回転速度とその磁束の積となるため、この磁束、すなわち交流発電機１０（同期発電機）の界磁を調整すれば、交流発電機１０の出力電圧が調整できる。すなわち、交流発電機１０の出力電圧を調整するには、交流発電機１０（同期発電機）の界磁電流を調整すればよく、本実施形態では、後に詳述するように、界磁電流制御手段２２（後述する）によりこの界磁電流が調整される。

電力負荷１４，１６，１８は、例えば一般家庭や工場等において使用される照明設備、空調設備及び工作機械等の様々な電気機器、電子機器等で構成される。図１では、電力負荷１４がインバータ２の交流側に電気的に接続され、他の電力負荷１６，１８がスイッチ手段１７，１９を介してインバータ２の交流側に電気的に接続されている。図１に示す状態では、スイッチ手段１７，１９が開状態であるので、電力負荷１６及び１８は電気的に遮断されている。なお、本実施形態では３つの電力負荷１４，１６，１８を設けたがこれに限られることなく、用途に応じてその数は適宜設定してよい。また、スイッチ手段１７，１９により接続及び遮断が自在に行える電力負荷１６，１８の数も適宜設定してよい。

この発電システムの動作を概説すると、次のようになる。商用電源４からの交流電力は第１コンバータ６に送給され、第１コンバータ６により直流電力に変換され、また回転型原動機８により回転駆動される交流発電機１０にて発生した交流電力は第２コンバータ１２に送給され、第２コンバータ１２より直流電力に変換される。そして、第１コンバータ６及び第２コンバータ１２によってそれぞれ変換された直流電力はインバータ２に送給され、このインバータ２にて交流電力、例えば１００Ｖ、６０Ｈｚの交流電圧を有する交流電力に変換され、このように変換された交流電力が電力負荷１４に供給され、スイッチ手段１７（又は１９）が閉状態のときには電力負荷１６（又は１８）にも供給される。このとき、交流発電機１０の出力電圧を商用電源４の供給電圧よりも高く設定することにより、交流発電機１０の負荷分担率が高くなり、その結果、交流発電機１０からの出力電力が優先的に電力負荷１４（及び１６，１８）に供給される。

この発電システムは、コージェネレーションシステムにおける発電システムに好都合に用いられ、回転型原動機８の排気ガスや冷却水等に含まれる排熱を、熱交換器（図示しない）を介して一般家庭等に設置した貯湯槽や暖房機器等の廃熱利用機器（図示しない）に送給することにより、排熱を回収利用して高効率の省エネシステムを提供することができる。

この発電システムでは、交流発電機１０の出力電圧が商用電源４の供給電圧よりも所定電圧高くなるように構成されており、次にその構成について説明する。
図１及び図２において、この発電システムは、さらに、商用電源４の供給電圧に基づいて電圧追従信号を生成するための電圧追従信号生成手段２６と、交流発電機１０の出力電流を制限するための電流制限手段２８と、電圧追従信号に基づいて交流発電機１０の出力電圧を調整するための電圧調整手段３０と、を備えている。

主として図２を参照して、電圧追従信号生成手段２６は、変圧器３２及び整流平滑回路３４を有する供給電圧検知手段３６と、信号処理回路３８とを備えている。整流平滑回路３４とは、整流ブリッジにより全波整流を行って交流を直流に変換する整流回路と、全波整流された脈流を直流に近づける平滑回路とを合わせた回路である。この電圧追従信号生成手段２６においては、変圧器３２が商用電源４の供給電圧を検知してこれを降圧し、降圧された検知電圧が整流平滑回路３４で直流電圧に変換されるとともに平滑され、このようにして供給電圧検知手段３６が商用電源４の供給電圧に対応した供給電圧検知信号を生成する。この供給電圧検知信号は信号処理回路３８へ送出され、信号処理回路３８で所定の処理がなされて電圧追従信号２４が生成される。電圧追従信号生成手段２６にて生成された電圧追従信号は、交流発電機１０の出力電圧が商用電源４の供給電圧よりも所定値（例えば３〜１０Ｖ程度であって、一例としての５Ｖ）高くなるように、交流発電機１０の出力電圧を商用電源４の供給電圧に追従させるように変動させるための指令信号である。

また、電流制限手段２８は、変流器４２及び整流平滑回路４４を有する出力電流検知手段４６と、誤差アンプ４８とを備えてている。変流器４２は交流発電機１０の出力電流を検知してこれを電圧に変換し、整流平滑回路４４は変流された検知電圧を直流電圧に変換するとともに平滑し、このようにして出力電流検知手段４６が交流発電機１０の出力電流に対応した検知電流信号を生成する。この検知電流信号は誤差アンプ４８に送給され、また設定電流値に対応する電流制限設定信号（所定電圧値に設定される）が誤差アンプ４８に送給され、この誤差アンプ４８において、予め設定された設定電流値と出力電流検知手段４６による検知電流信号の検知電流値とを比較する。そして、出力電流検知手段４６の検知電流値が設定電流値を超えると、誤差アンプ４８は、検知電流値と設定電流値との電流値差（実施形態では、電圧に変換されて比較されるので、両者の電圧差）に対応した電流制限信号を生成し、生成された電流制限信号が電圧調整手段３０（後述する）に送給され、電流制限手段２８によって交流発電機１０の出力電流が後述するように低下される。

また、出力電流検知手段４６の検知電流値が設定電流値以下であると、誤差アンプ４８は電流制限信号を生成せず、この電流制限手段２８によって交流発電機１０の出力電流が低下されることはない。なお、この電流制限設定信号の設定電流値は、交流発電機１０が過負荷状態となった時の交流発電機１０の出力電流に対応する値であり、出力電流検知手段４６の検知電流値がこの設定電流値を超えると、交流発電機１０は過負荷状態と判断される。

次に、電圧調整手段３０について説明すると、図示の電圧調整手段３０は、例えば自動電圧調整器（ＡＶＲ）から構成され、変圧器５６及び整流平滑回路５８を有する出力電圧検知手段６０と、誤差アンプ６２と、界磁電流制御手段２２と、を備えている。変圧器５６は交流発電機１０の出力電圧を検知してこれを降圧し、整流平滑回路５８は降圧された検知電圧を直流電圧に変換するとともに平滑し、このようにして出力電圧検知手段６０は交流発電機１０の出力電圧に対応した電圧検知信号を生成する。この出力電圧検知手段６０からの電圧検知信号（Ｖｅ）、電圧追従信号生成手段２６からの電圧追従信号（Ｖｔ）及び電流制限手段２８からの電流制限信号（Ｖｉ）は誤差アンプ６２に送給され、この誤差アンプ６２において、電圧検知信号（Ｖｅ）、電圧追従信号（Ｖｔ）及び電流制限信号（Ｖｉ）がが比較演算され（Ｖｔ−Ｖｅ−Ｖｉ）、誤差アンプ６２にて生成された電圧制御信号が界磁電流制御手段２２へ送出される。界磁電流制御手段２２は、交流発電機１０の界磁手段（図示せず）に送給される界磁電流を制御し、この電圧制御信号に基づいて交流発電機１０の界磁手段に送給される界磁電流を制御し、このように界磁電流を制御することによって、交流発電機１０の出力電圧が調整される。

なお、この実施形態では、上述した記載から理解される如く、電圧追従信号生成手段２６の電圧追従信号（Ｖｔ）、電流制限手段２８の電流制限信号（Ｖｉ）、出力電圧検知手段６０の電圧検知信号（Ｖｅ）及び電圧調整手段３０の電圧制御信号は、いずれもその大きさが直流電圧の電圧値で示される信号である。また、電圧追従信号生成手段２６の電圧追従信号及び／又は電流制限手段２８の電流制限信号の生成は、例えばコンピュータやマイクロコンピュータ等で行うようにしてもよい。

次に、上述した発電システムにおける通常運転時（交流発電機１０の出力電流が設定電流値以下である時）の運転制御について説明する。電圧追従信号生成手段２６の供給電圧検知手段３６は商用電源４の供給電圧を検知して供給電圧検知信号を生成し、この供給電圧検知信号が信号処理回路３８で処理され、このようにして生成された電圧追従信号が電圧追従信号生成手段２６から電圧調整手段３０の誤差アンプ６２に送給される。また、出力電圧検知手段６０は交流発電機１０の出力電圧を検知して電圧検知信号を生成し、この電圧検知信号が誤差アンプ６２に送給される。そして、誤差アンプ６２は、この電圧追従信号と電圧検知信号とを比較演算し、電圧追従信号（Ｖｔ）が電圧検知信号（Ｖｅ）よりも大きい（Ｖｔ＞Ｖｅ）ときには、誤差アンプ６２は界磁電流を増大させるための電圧制御信号を生成し、この電圧制御信号に基づいて界磁電流制御手段２２は交流発電機１０の界磁手段に送給される界磁電流を増大し、これによって交流発電機１０の出力電圧が上昇される。また、電圧追従信号（Ｖｔ）が電圧検知信号（Ｖｅ）よりも小さい（Ｖｔ＜Ｖｅ）ときには、誤差アンプ６２は界磁電流を減少させるための電圧制御信号を生成し、この電圧制御信号に基づいて界磁電流制御手段２２は交流発電機１０の界磁手段に送給される界磁電流を減少し、これによって交流発電機１０の出力電圧が低下される。

このように電圧追従信号（Ｖｔ）と電圧検知信号（Ｖｅ）とが等しくなるようにフィードバック制御されるので、電圧調整手段３０は、電圧追従信号（Ｖｔ）及び電圧検知信号（Ｖｅ）に基づき、交流発電機１０の出力電圧を商用電源４の供給電圧に追従させて変動させ、交流発電機１０の出力電圧が商用電源４の供給電圧よりも所定値、例えば５Ｖ程度高くなるように保持することができる。

例えば、交流発電機１０の出力電圧が商用電源４の供給電圧よりも例えば５Ｖ高くなるように追従させる場合、商用電源４の供給電圧が１８２Ｖの時には交流発電機１０の出力電圧は１８７Ｖとなり、その供給電圧が２００Ｖの時には交流発電機１０の出力電圧は２０５Ｖとなる。なお、交流発電機１０の出力電圧と商用電源４の供給電圧との電圧差は、信号処理回路３８の処理により可変でき、発電システムの用途等に応じて任意に設定することができる。

次に、交流発電機１０が過負荷状態となったときについて説明する。インバータ２の交流側に電力負荷１４が接続され（電力負荷１６，１８は遮断されている）、この状態において交流発電機１０の交流電力が定格値となっているとすると、この接続状態が、交流発電機１０の定格負荷容量となる。そして、この状態から、電力負荷１６及び／又は電力負荷１８が接続されると、交流発電機１０の交流電力は定格値を超え、定格負荷容量を超えた過負荷状態となる。

一般に、負荷力率が一定の場合、交流発電機１０の交流電力は、交流発電機１０の出力電圧と出力電流との積に比例する。したがって、この過負荷状態においては、交流発電機１０の交流電力の増大に伴って交流発電機１０の出力電流も増大し、出力電流検知手段４６で検知する検知電流信号の検知電流値は、予め設定された設定電流値を超えるようになる。このように検知電流信号の検知電流値が設定電流値を超えると、検知電流値と設定電流値との電流値差に対応した大きさの電流制限信号が誤差アンプ４８にて生成され、この電流制限信号が電流制限手段２８から電圧調整手段３０の誤差アンプ６２へ送出される。このとき、電圧追従信号生成手段２６からの電圧追従信号及び出力電圧検知手段６０からの電圧検知信号もこの誤差アンプ６２に送給される。このときには、電圧調整手段３０の誤差アンプ６２において、電圧追従信号（Ｖｔ）、電圧検知信号（Ｖｅ）及び電流制限信号（Ｖｉ）が比較演算され、電圧追従信号（Ｖｔ）は電流制限信号（Ｖｉ）によっても減じられ、誤差アンプ６２は界磁電流を減少させるための電圧制御信号を生成する。

したがって、上述したように、界磁電流制御手段２２はこの電圧制御信号に基づいて交流発電機１０に送給される界磁電流を減少し、これによって、交流発電機１０の出力電圧が低下され、この交流発電機１０の出力電圧の低下動作は、出力電流検知手段４６からの検知電流値が設定電流値よりも小さくなるまで行われる。

このように交流発電機１０の出力電圧が低下すると、交流発電機１０の出力電圧と商用電源４の供給電圧との差が僅かな電圧差（例えば、１〜２Ｖ程度）となるため、交流発電機１０の負荷分担率が減少する一方、商用電源４の負荷分担率が増加し、商用電源４から電力負荷１４と電力負荷１６及び／又は電力負荷１８とへの電力の供給量が増加する。すなわち、交流発電機１０の交流電力の定格値を越える過大な電力が要求されると、商用電源４からの電力供給量が増大し、不足分の電力が商用電源１４から供給される。したがって、交流発電機１０の交流電力が定格値よりも減じられ、交流発電機１０の出力電流も減じられる。そして、出力電流検知手段４６の検知電流値が設定電流値よりも小さくなると、電流制限手段２８の電流制限信号の生成が停止し、電流制限信号の誤差アンプ６２への送給が終了し、発電システムは、上述した通常運転状態に戻る。

ここで、本発明の発電システムにおける優れた効果、すなわち交流発電機の過負荷量を小さくできる効果について、従来の発電システムと比較しながら説明する。
まず、従来の発電システム（図１及び図２の発電システムにおける電圧追従信号生成手段を省略したもの）について、図４に基づき説明する。図４は、過負荷状態となった場合の交流発電機の交流電力波形等を示す波形図であり、図４（ａ）は、商用電源の電力波形及び電圧波形を示し、図４（ｂ）は、交流発電機の電力波形及び電圧波形を示し、図４（ｃ）は、インバータの出力電流波形及び出力電圧波形を示している。従来の発電システムを用いた比較実験において、交流電力の定格値が３ｋＷである交流発電機を用い、その運転条件は、商用電源４の供給電圧が１８２Ｖで、交流発電機１０の出力電圧がそれよりも４８Ｖ高い２３０Ｖであり、このような運転条件において、電力負荷を２ｋＷから５ｋＷに増大させた後に再び２ｋＷに戻した。

図４（ｃ）に示すように、電力負荷の負荷量が２ｋＷから５ｋＷに増加すると、交流発電機の出力電圧と商用電源の供給電圧との電圧差が４８Ｖと大きいため、交流発電機の負荷分担率が高くなり、交流発電機からの電力が優先的に電力負荷へ供給されるようになり、それ故に、図４（ｂ）に示すように、交流発電機の交流電力が一時的に大きく上昇し、そのピークは約４．５ｋＷとなった（図４（ｂ）中の矢印Ｐで示した点線で囲った領域を参照）。このように交流発電機の交流電力が上昇する状態が過負荷状態である。そして、このピークが大きいほど、交流発電機の過負荷状態が大きくなるとともに、その出力電圧を低下させて交流発電機の交流電力を低下させる際の制御遅れが大きくなり、この比較実験では、過負荷状態が大きく、制御遅れも大きく生じた。

その後、交流発電機１０の出力電圧が低下すると、交流発電機の負荷分担率が減少するとともに、商用電源の負荷分担率が増加し、図４（ａ）に示すように、商用電源の電力が増加する。すなわち、商用電源からの電力の供給量が多くなり、不足分の電力が商用電源から電力負荷に供給される。

次に、本発明による発電システム（図１及び図２に示す発電システム）について、図３に基づき説明する。図３は、過負荷状態となった場合の交流発電機の交流電力波形等を示す波形図であり、図３（ａ）は、商用電源の電力波形及び電圧波形を示し、図３（ｂ）は、交流発電機の電力波形及び電圧波形を示し、図３（ｃ）は、インバータの出力電流波形及び出力電圧波形を示している。本発明のシステムを用いた実験において、交流電力の定格値が３ｋＷである交流発電機を用い、その運転条件は、商用電源の供給電圧が１８０Ｖで、交流発電機の出力電圧はそれよりも５Ｖ高い１８５Ｖで、この出力電圧が商用電源の供給電圧に追従して変動し、両者の電圧差が５Ｖに維持されるようにし、このような運転条件において電力負荷を１ｋＷから４ｋＷに増大させた後に再び１ｋＷに戻した。

この発電システムでは、図３（ｃ）に示すように、電力負荷の負荷容量が１ｋＷから４ｋＷに増加すると、交流発電機１０の出力電圧と商用電源４の供給電圧との電圧差が５Ｖと比較的小さいため、交流発電機１０の負荷分担率が従来の発電システムのように大きくならず、そのため、図３（ｂ）に示すように、交流発電機の交流電力が一時的に上昇するものの、そのピークは約３．８ｋＷとなって従来よりも大幅に小さくなった（図３（ｂ）中の矢印Ｑで示した点線で囲った領域を参照）。そして、この交流電力の変動のピークが小さい分、交流発電機の交流電力を低下させる際の制御遅れも小さくなった。

このように本発明の発電システムでは、交流発電機の出力電圧が商用電源の供給電圧よりも所定値高くなるように、交流発電機の出力電圧が商用電源の供給電圧に追従させて変動されるので、両電圧の電圧差を小さい値（例えば、３〜１０Ｖ程度の電圧値）に保つことができる。したがって、電力負荷が急激に上昇しても交流発電機の負荷分担率が従来の発電システムのように大きくならず、過負荷状態の際に交流発電機の交流電力が一時的に上昇するものの、そのピーク値は比較的小さく、これによって制御遅れも小さくなる。

上述した発電システムは、ＵＰＳ機能を搭載している。図２を参照して、ＵＰＳ（Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ）機能とは、商用電源４が停電して商用電源４からの電力がオフになった時であっても、交流発電機１０からの電力が電力負荷１４に供給される機能である。商用電源４は、非常に安定しているものの絶対的ではなく、地震、暴風雨、雪、雷などの自然災害や、電線路の点検、工事などにより停電が発生することがある。例えばコンピュータに代表される情報通信機器などは電源変動に敏感であり、特に商用電源４の停電などの電源トラブルで、データの喪失、ファイルの破壊、システム停止などが発生して多大な損害を被ることがある。そこで、このような損害を回避するために、商用電源４の停電時においても情報通信機器などの電力負荷１４，１６，１８に電力を供給し続けることが必要であり、このような場合にＵＰＳ機能が用いられるのである。

具体的には、電圧追従信号生成手段２６の信号処理回路３８に、電圧追従信号２４の設定最低値が予め記憶されている。この発電システムにおいては、交流発電機１０の出力電圧は、商用電源４の供給電圧よりも所定値高くなるように、商用電源４の供給電圧に追従させて変動されるが、仮にＵＰＳ機能を搭載していない場合には、商用電源４が停電になって商用電源４の供給電圧が０Ｖになった際には、交流発電機１０の出力電圧はそれに追従して０Ｖ近傍まで低下してしまうこととなり、交流発電機１０からの交流電力が電力負荷１４などに供給されなくなる。これに対して、ＵＰＳ機能を持たせた発電システムでは、電圧追従信号２４の設定最低値が信号処理回路３８に記憶されているので、停電により商用電源４の供給電圧が０Ｖまで低下した場合であっても、電圧調整手段３０の誤差アンプ６２へは電圧追従信号としてその設定最低値が送給され、これによって、電力負荷１４で必要とする最低の電力を交流発電機１０の出力電圧でもって確保することができる。

次に、図５を参照して、発電システム及び発電システムの電力供給方法の他の実施形態について説明する。図５において、図２と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。図５は、他の実施形態による発電システムの制御系を示すブロック図である。

この他の実施形態では、交流発電機１０Ａは誘導発電機で構成されており、電圧調整手段３０Ａは、回転型原動機８の回転数を制御するための回転数調整手段７２を備えている。この回転数調整手段７２は、誤差アンプ６２からの電圧制御信号が送出され、回転数調整手段７２はこの電圧制御信号に基づいて回転型原動機８の回転数を制御する。この他の実施形態のその他の構成は、図１及び図２の実施形態と実質上同一である。

この他の実施形態においても、発電システムの通常運転時（電流制限信号が生成されないとき）には、電圧追従信号生成手段２６からの電圧追従信号（Ｖｔ）及び出力電圧検知手段６０からの電圧検知信号（Ｖｅ）が誤差アンプ６２に送給され、誤差アンプ６２はこれら電圧追従信号（Ｖｔ）及び電圧検知信号（Ｖｅ）を比較演算して電圧制御信号を生成する。そして、電圧追従信号（Ｖｔ）が電圧検知信号（Ｖｅ）よりも大きい（Ｖｔ＞Ｖｅ）ときには、誤差アンプ６２は回転数を増大させるための電圧制御信号を生成し、この電圧制御信号に基づいて回転数制御手段７２は回転数が増大するように回転型原動機８を制御し、これによって、交流発電機１０Ａの回転数が上昇して交流発電機１０Ａの出力電力が上昇し、また電圧追従信号（Ｖｔ）が電圧検知信号（Ｖｅ）よりも小さい（Ｖｔ＜Ｖｅ）ときには、誤差アンプ６２は回転数を低下させるための電圧制御信号を生成し、この電圧制御信号に基づいて回転数制御手段７２は回転数が低下するように回転型原動機８を制御し、これによって、交流発電機１０Ａの出力電力が低下する。

このように、回転数調整手段７２は、出力電圧検知手段６０の電圧検知信号及び電圧追従信号生成手段２６の電圧追従信号に基づいて、回転型原動機８の回転数を調整して交流発電機１０Ａの出力電圧を調整しているので、このように構成しても、交流発電機１０Ａの出力電圧を商用電源４の供給電圧に追従するように変動させることができ、これによって、交流発電機１０Ａの交流電力と商用電源４の供給電圧との電圧差を小さくすることが可能となり、その結果、上述したと同様に、過負荷状態発生時における交流発電機１０Ａの出力電圧のピーク値を抑えることができるとともに、その際に生じる制御遅れの期間を短くすることができる。

以上、本発明に従う種々の発電システム及び発電システムの電力供給方法の実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。

本発明の一実施形態による発電システムを示す概略構成図である。 図１の発電システムの制御系を示すブロック図である。 本発明の発電システムを用いた実験における交流発電機の電力波形等を示す波形図である。 従来の発電システムを用いた比較実験における交流発電機の電力波形等を示す波形図である。 本発明の他の実施形態による発電システムの制御系を示すブロック図である。

符号の説明

２ インバータ
４ 商用電源
６ 第１コンバータ
８ 回転型原動機
１０，１０Ａ 交流発電機
１２ 第２コンバータ
１４，１６，１８ 電力負荷
２２ 界磁電流制御手段
２６ 電圧追従信号生成手段
２８ 電流制限手段
３０，３０Ａ 電圧調整手段
７２ 回転数調整手段

Claims (5)

1. 直流電力を交流電力に変換するインバータの直流側に、商用電源からの交流電力を直流電力に変換する第１コンバータと、交流発電機からの交流電力を直流電力に変換する第２コンバータとを並列的に接続し、前記インバータの交流側に接続した前記電力負荷に前記商用電源及び前記交流発電機からの電力を供給する発電システムの電力供給方法であって、
   前記交流発電機の出力電圧が前記商用電源の供給電圧よりも所定値高くなるように、前記交流発電機の出力電圧を前記商用電源の供給電圧に追従するように変動させることを特徴とする発電システムの電力供給方法。
2. 直流電力を交流電力に変換するインバータと、商用電源からの交流電力を直流電力に変換する第１コンバータと、回転型原動機に駆動連結された交流発電機と、前記交流発電機からの交流電力を直流電力に変換する第２コンバータと、を具備し、前記第１及び第２コンバータが前記インバータの直流側に並列的に接続され、前記インバータの交流側に電力負荷が接続され、前記交流発電機及び前記商用電源からの電力が前記インバータを介して前記電力負荷に供給される発電システムであって、
   前記商用電源の供給電圧に基づいて電圧追従信号を生成するための電圧追従信号生成手段と、前記電圧追従信号に基づいて前記交流発電機の出力電圧を調整するための電圧調整手段と、を備え、前記電圧調整手段は、前記交流発電機の出力電圧を検知するための出力電圧検知手段を含み、前記出力電圧検知手段の電圧検知信号及び前記電圧追従信号生成手段の前記電圧追従信号に基づいて、前記交流発電機の出力電圧が前記商用電源の供給電圧よりも所定値高くなるように、前記交流発電機の出力電圧が前記商用電源の供給電圧に追従して変動されることを特徴とする発電システム。
3. 前記交流発電機の交流電力の電流を制限するための電流制限手段が設けられ、前記電流制限手段は、前記交流発電機の出力電流を検知するための出力電流検知手段を含み、前記出力電流検知手段の検知電流値が設定電流値を超えると、前記電流制限手段は電流制限信号を生成し、前記電圧調整手段は、前記電流制限信号に基づいて前記交流発電機の出力電圧を低下させることを特徴とする請求項２に記載の発電システム。
4. 前記電圧調整手段は、前記回転型原動機の回転数を制御するための回転数調整手段を含み、前記回転数調整手段は、前記出力電圧検知手段の前記電圧検知信号及び前記電圧追従信号生成手段の前記電圧追従信号に基づいて、前記回転型原動機の回転数を調整することを特徴とする請求項２又は３に記載の発電システム。
5. 前記電圧調整手段は、前記交流発電機の界磁電流を制御するための界磁電流制御手段を含み、前記界磁電流制御手段は、前記出力電圧検知手段の前記電圧検知信号及び前記電圧追従信号生成手段の前記電圧追従信号に基づいて、前記交流発電機の界磁電流を調整することを特徴とする請求項２又は３に記載の発電システム。

Images