JP4761352B2

JP4761352B2 - 発電システム

Info

Publication number: JP4761352B2
Application number: JP2005222670A
Authority: JP
Inventors: 裕紀佐藤; 由規小澤
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2005-08-01
Filing date: 2005-08-01
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2025-08-01
Also published as: JP2007043774A

Description

本発明は、エンジンに駆動連結された交流発電機からの発電電力と、商用電源からの交流電力とを電力負荷へ供給する発電システムに関する。

近年、エンジンに駆動連結された交流発電機からの発電電力と、商用電源からの交流電力とを電力負荷へ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。

この種の発電システムは、自励式同期発電機と、この同期発電機を駆動するためのエンジンと、電力を切り替えるための切替盤とを備えている。この自励式同期発電機を用いた発電システムでは、同期発電機の発電出力の周波数と商用電源の電力周波数とが一致するようにする必要があり、それ故に、同期発電機の電磁石の極数及びエンジンの回転数が特定の組合せに限定され、例えば電磁石の極数が４に、エンジンの回転数が１８００ｒｐｍに設定されている。また、同期発電機の発電電圧は、自動電圧調整器によって励磁電流を制御することによって行われている。

上述した切替盤を用いたシステムでは、適用するコージェネレーションシステムの負荷率を常に１００％にすることができないという問題がある。
そこで、上述した問題を解消するために、インバータを用いたものが主流になりつつあり、インバータを使用したシステムでは、発電機の発電出力周波数が制限されないため、永久磁石式高周波発電機（出力電圧の調整ができない）を用いて高効率化が図られている。このような発電システムの一例のものでは、交流発電機と、交流発電機からの発電電力を所定の直流電力に変換するための整流回路と、整流回路からの直流電力を所定の交流電力に変換するためのインバータと、整流回路の直流側における直流電圧を検知するための電圧検知手段と、整流回路を構成するサイリスタを導通制御するための制御手段と、を備えている。制御手段は、電圧検知手段の検知電圧が所定値を超えると、整流回路のサイリスタの導通をオフさせて交流発電機からの電流を遮断させ、またこの検知電圧が所定値より低下すると、整流回路のサイリスタの導通をオンさせて交流発電機からの電流の遮断を解除し、これにより整流回路の直流側における直流電圧が一定に制御される。

図７はインバータを用いた発電システムの他の例を示しており、図７において、第２のタイプの発電システム１００は、エンジン１０２と、エンジン１０２により駆動される永久磁石式の交流発電機１０４と、交流発電機１０４からの発電電力を所定の直流電力に変換するコンバータ１０６と、コンバータ１０６からの直流電力を所定の交流電力に変換するインバータ１０８と、コンバータ１０６の直流側における直流電圧を検知するための電圧検知手段１１０と、エンジン１０２の回転数を制御するための制御手段１１２と、を備えている（例えば、特許文献１参照）。インバータ１０８の交流側には電力負荷１１６ａ〜１１６ｄがそれぞれ遮断器１１８ａ〜１１８ｄを介して接続され、インバータ１０８からの交流電力は商用電源１１４と系統連系されており、インバータ１０８及び商用電源１１４からの交流電力が電力負荷１１６ａ〜１１６ｄに供給される。制御手段１１２は、電圧検知手段１１０の検知電圧が所定値を超えると、エンジン１０２のスロットル開度を開度小側に調節してエンジン１０２の回転数を低下させ、またこの検知電圧が所定値よりも低下すると、エンジン１０２のスロットル開度を開度大側に調節してエンジン１０２の回転数を上昇させ、これによりコンバータ１０６の直流側における直流電圧が一定に制御される。

特開２００１−４５７９９号公報

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。第１のタイプの発電システムでは、サイリスタの導通のオン・オフが繰り返し行われるため、交流発電機に流れる電流に高調波成分が生じ、交流発電機の発電効率が低下してしまうという問題がある。

また、第２のタイプの発電システム１００では、コンバータ１０６の直流側における直流電圧は数ｍｓ（１０^−３秒）程度の時間間隔で変化するのに対し、制御手段１１２によるエンジン１０２の回転数の制御は数ｓ（秒）程度の時間間隔で行われるため、コンバータ１０６の直流側における直流電圧が変化してから制御手段１１２がエンジン１０２の回転数を制御するまでに制御遅れが生じ、精度よくコンバータ１０６の直流側における直流電圧を一定に制御することができないという問題がある。また、交流発電機１０４の発電電圧は交流発電機１０４の温度に影響される（一般に、温度が上昇すると永久磁石の磁力が低下し、またコイルの抵抗が大きくなるため、このことに起因して発電電圧が低下する）ため、エンジン１０２の起動時におけるコンバータ１０６の直流側における直流電圧は交流発電機１０４の温度に左右されてしまい、発電システム１００を安定して起動することができないという問題がある。さらに、エンジン１０２を起動してから交流発電機１０４の温度が飽和温度に達するまでの間においては、交流発電機１０４の発電電圧が大きく変動するため、コンバータ１０６の直流側における直流電圧が安定しないという問題がある。

本発明の目的は、エンジンの起動時において、発電システムを安定して起動することができる発電システムを提供することである。
また、本発明の他の目的は、エンジンの起動後において、交流発電機の発電効率が低下するのを防止することができるとともに、精度よくコンバータの直流側における直流電圧を一定に制御することができる発電システム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では、エンジンと、前記エンジンによって駆動される交流発電機と、前記交流発電機からの発電電力を所定の直流電力に変換するためのコンバータと、前記コンバータからの直流電力を所定の交流電力に変換するためのインバータと、を備え、前記インバータからの交流電力は商用電源と系統連系され、前記インバータ及び前記商用電源からの交流電力が電力負荷に供給される発電システムであって、
前記交流発電機の温度を検知するための温度検知手段と、前記エンジンの回転数を制御するための制御手段と、が設けられ、前記制御手段は、前記エンジンの回転数を設定するための回転数設定手段と、前記交流発電機の温度と前記エンジンの回転数との関係を示す設定回転数データが記憶された記憶手段と、前記記憶手段に記憶された設定回転数データを読み出すための読出し手段と、を備えており、
前記エンジンの起動時において、前記読出し手段は、設定回転数データより前記温度検知手段の検知温度に対応する回転数データを読み出し、前記回転数設定手段は、読み出された回転数データを前記エンジンの初期設定回転数として設定することを特徴とする。

さらに、本発明の請求項２に記載の発電システムでは、エンジンと、前記エンジンによって駆動される交流発電機と、前記交流発電機からの発電電力を所定の直流電力に変換するためのコンバータと、前記コンバータからの直流電力を所定の交流電力に変換するためのインバータと、を備え、前記インバータからの交流電力は商用電源と系統連系され、前記インバータ及び前記商用電源からの交流電力が電力負荷に供給される発電システムであって、
前記交流発電機の温度を検知するための温度検知手段と、前記エンジンの回転数を制御するための制御手段と、が設けられており、
前記エンジンの起動後において、前記制御手段は、前記温度検知手段の検知温度に基づき所定時間後の前記交流発電機の温度を予測し、この予測温度に基づき前記エンジンの回転数を設定することを特徴とする。

また、本発明の請求項３に記載の発電システムでは、前記電力負荷に関連して、前記電力負荷における負荷電力を検知するための負荷電力検知手段が設けられており、
前記制御手段は、前記エンジンの回転数を設定するための回転数設定手段と、前記交流発電機の予測温度を演算するための予測温度演算手段と、前記電力負荷の大きさと前記エンジンの回転数との関係を示す設定回転数データが記憶された記憶手段と、前記記憶手段に記憶された設定回転数データを読み出すための読出し手段と、を備え、
前記予測温度演算手段は、前記温度検知手段の検知温度に基づき所定時間後の前記交流発電機の予測温度を演算し、前記読出し手段は、設定回転数データより前記負荷電力検知手段により検知された検知負荷電力に対応する回転数データを読み出し、前記回転数設定手段は、読み出された回転数データを前記エンジンの基準回転数として設定することを特徴とする。

さらに、本発明の請求項４に記載の発電システムでは、前記制御手段は、基準回転数を補正する回転数補正手段を備え、前記回転数補正手段は、予測温度に基づき基準回転数を補正し、前記回転数設定手段は、補正された基準回転数を前記エンジンの回転数として設定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によれば、交流発電機の温度を検知するための温度検知手段と、エンジンの回転数を制御するための制御手段とを備え、エンジンの起動時において、制御手段は、温度検知手段の検知温度に基づきエンジンの回転数を設定するので、エンジンの起動時において交流発電機の発電電圧を安定させるのに最適な回転数でもってエンジンを回転させることができる。また、エンジンの起動時において、制御手段の読出し手段は、設定回転数データより温度検知手段の検知温度に対応する回転数データを読み出し、回転数設定手段は、読み出された回転数データをエンジンの初期設定回転数として設定するので、エンジンの起動時において周囲温度を考慮した最適な回転数が設定され、これによりコンバータの直流側における直流電圧が変動するのを抑制することができ、発電システムを安定して起動することが可能となる。例えば、温度検知手段の検知温度が高い（又は低い）と、発電電圧が低下（又は上昇）傾向となるので、起動時のエンジンの回転数は幾分高く（又は低く）なるように設定される。

さらに、本発明の請求項２に記載の発電システムによれば、エンジンの起動後において、制御手段は、温度検知手段の検知温度に基づき所定時間後の交流発電機の温度を予測し、この予測温度に基づきエンジンの回転数を設定するので、制御手段によるエンジンの回転数の制御に制御遅れが生じることがなく、精度よくコンバータの直流側における直流電圧を一定に制御することが可能となる。特に、エンジンを起動してから交流発電機の温度が飽和温度に達するまでの間において、交流発電機の発電電圧が変動するのを抑制して、より精度の高い直流電圧の制御を行うことができ、発電システムを安定して運転することが可能となる。また、従来の発電システムのようにサイリスタのオン・オフを繰り返す導通制御を行う必要がないため、交流発電機に流れる電流に高調波成分が重畳することがなく、交流発電機の発電効率が低下するのを防止することが可能となる。

また、本発明の請求項３に記載の発電システムによれば、読出し手段は、設定回転数データより負荷電力検知手段により検知された検知負荷電力に対応する回転数データを読み出し、回転数設定手段は、読み出された回転数データをエンジンの基準回転数として設定するので、負荷電力の大きさに応じた最適な基準回転数でもってエンジンを回転させることができ、交流発電機を効率的に運転させることができるとともに、電力負荷に負荷変動が生じた場合であっても、コンバータの直流側における直流電圧が変動するのを抑制することができ、発電システムを安定して運転させることが可能となる。

さらに、本発明の請求項４に記載の発電システムによれば、回転数補正手段は、予測温度に基づき基準回転数を補正し、回転数設定手段は、補正された基準回転数をエンジンの回転数として設定するので、精度よくコンバータの直流側における直流電圧を一定に制御することが可能となる。例えば、予測温度が高い（又は低い）と、所定時間後の発電電圧が低下（又は上昇）傾向となるので、この所定時間後のエンジンの回転数が幾分高く（又は低く）なるように補正される。

以下、添付図面を参照して、本発明に従う発電システムの一実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態による発電システムを簡略的に示すブロック図であり、図２は、交流発電機の温度とエンジンの初期設定回転数との関係を示す図であり、図３は、負荷電力の大きさとエンジンの基準回転数との関係を示す図であり、図４は、予測温度と基準温度との温度差と、補正回転数との関係を示す図であり、図５は、従来の発電システムを用いた比較実験におけるコンバータの直流側における直流電圧波形を示す波形図であり、図６は、本発明の発電システムを用いた実験におけるコンバータの直流側における直流電圧波形を示す波形図である。

図１において、この実施形態の発電システム２は、エンジン４と、エンジン４によって駆動される交流発電機６と、交流発電機６からの発電電力を所定の直流電力に変換するためのコンバータ８と、コンバータ８からの直流電力を所定の交流電力に変換するためのインバータ１０と、を備え、インバータ１０からの交流電力は商用電源１２と系統連系され、インバータ１０及び商用電源１２からの交流電力が電力負荷１４ａ〜１４ｄに供給される。以下、これら各構成要素について詳細に説明する。

エンジン４は、例えば天然ガスエンジンなどから構成され、都市ガスなどを燃料として回転駆動される。このエンジン４には、その吸気流路（図示せず）を通してエンジン４の燃焼室（図示せず）に送給される空気の送給量を制御するためのスロットル弁１６が設けられており、このスロットル弁１６は、例えばステッピングモータなどのモータ１８によって回転駆動される。スロットル弁１６は、モータ１８に供給される所定のパルス信号によってその開度が制御され、このようにスロットル弁１６の開度を調整することによって、エンジン４の軸出力（すなわち、エンジン４の回転数）が制御される。

交流発電機６は、例えば永久磁石式発電機などから構成され、エンジン４の出力軸２０に駆動連結されている。エンジン４が起動されるとその出力軸２０が所定方向に回転駆動され、これにより交流発電機６は、エンジン４の出力軸２０を介して駆動されて交流電力（すなわち、発電電力）を発生する。このような永久磁石式発電機から構成された交流発電機６においては、その発電電圧は交流発電機６の温度及びエンジン４の回転数の影響を受け、交流発電機６の温度（特に、交流発電機６に内蔵された永久磁石の温度）が上昇（低下）すると発電電圧が低下（上昇）し、またエンジン４の回転数が上昇（低下）すると発電電圧が上昇（低下）するという特性を有している。

コンバータ８は、交流電力を直流電力に変換するための電力変換装置であり、例えばダイオードブリッジなどから構成される。コンバータ８の交流側は交流発電機６に接続され、交流発電機６からの発電電力を所定の直流電力（例えば、４００Ｖ程度の直流電力）に変換する。

インバータ１０は、直流電力を交流電力に変換するための電力変換装置であり、例えばＩＧＢＴブリッジなどから構成される。インバータ１０の直流側はコンバータ８の直流側に接続され、コンバータ８からの直流電力を所定の交流電力（商用電源１２からの交流電力と同様の交流電力であって、例えば１００Ｖ，６０Ｈｚの単相交流電力）に変換する。インバータ１０の交流側には複数の電力負荷１４ａ〜１４ｄがそれぞれ遮断器２２ａ〜２２ｄを介して接続され、またインバータ１０からの交流電力は商用電源１２と系統連系されており、これにより商用電源１２及びインバータ１０からの交流電力が各電力負荷１４ａ〜１４ｄに送給され、これら交流電力が各電力負荷１４ａ〜１４ｄにおいて消費される。電力負荷１４ａ〜１４ｄは、例えば一般家庭や工場などに設置された空調装置、各種機械装置又は照明装置などから構成される。遮断器２２ａ〜２２ｄはそれぞれ開閉自在に構成されており、例えば、遮断器２２ａ（又は２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ）が閉状態になると電力負荷１４ａ（又は１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ）が投入され、また遮断器２２ａ（又は２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ）が開状態になると電力負荷１４ａ（又は１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ）が遮断される。なお、本実施形態では、電力負荷が４つ設けられた場合について説明するが、その数は適宜設定することが可能である。

次に、この発電システム２の動作を説明すると、次の通りである。エンジン４が起動するとエンジン４の出力軸２０が回転駆動され、これにより交流発電機６が出力軸２０を介して駆動されて、交流発電機６にて発生した発電電力がコンバータ８に送給され、このコンバータ８にて所定の直流電力に変換された後にインバータ１０に送給される。コンバータ８の直流側における直流電圧は、後述するようにして所定値（例えば、４００Ｖ）に一定に制御される。このようにインバータ１０に送給された直流電力は、例えば単相交流の１００Ｖ，６０Ｈｚの交流電力に変換された後に各電力負荷１４ａ〜１４ｄに供給され、また商用電源１２からも同様に、例えば単相交流の１００Ｖ，６０Ｈｚの交流電力が各電力負荷１４ａ〜１４ｄに供給され、これら交流電力は各電力負荷１４ａ〜１４ｄにて消費される。

さらに本実施形態の発電システム２では、交流発電機６の温度を検知するための温度検知手段２４と、電力負荷１４ａ〜１４ｄにおける負荷電力を検知するための負荷電力検知手段２６と、エンジン４の回転数を制御するための制御手段２８と、が設けられており、これら各構成要素によりコンバータ８の直流側における直流電圧が交流発電機６の温度により変動するのが防止される。以下、これら各構成要素について説明するが、以下の説明において、回転数の単位（ｒｐｍ）、温度の単位（℃）及び電力の単位（ｋＷ）の記載はそれぞれ省略する。

温度検知手段２４は、例えば温度センサなどから構成され、交流発電機６のコイル（図示せず）（又は、その近傍）に設けられており、交流発電機６のコイルの温度（すなわち、交流発電機６の温度）を検知する。交流発電機６の永久磁石（図示せず）の温度を検知するのが望ましいが、永久磁石の温度を直接検知することができないので、コイルの温度を検知している。このように温度検知手段２４が交流発電機６の温度を検知すると、交流発電機６の検知温度の検知信号が制御手段２８（後述する）に送給される。この温度検知手段２４による交流発電機６の温度の検知は、エンジン４の起動直前より開始され、発電システム２が稼働している間継続して行われる。

負荷電力検知手段２６は、例えば電力計などから構成され、インバータ１０の交流側に接続されており、各電力負荷１４ａ〜１４ｄにおいて消費される電力の合計（すなわち、負荷電力）を検知する。この負荷電力検知手段２６による負荷電力の検知は、発電システム２が稼働している間継続して行われる。なお、本実施形態では、電力負荷１４ａ〜１４ｄの各々において消費される電力は全て等しいものとし、電力負荷１４ａ〜１４ｄのうち１つ、２つ、３つ及び４つの電力負荷が投入されている場合の負荷電力はそれぞれ、Ｗ_１，Ｗ_２，Ｗ_３及びＷ_４であるとする。

制御手段２８は、設定回転数データが記憶された記憶手段３０と、記憶手段３０に記憶された設定回転数データを読み出すための読出し手段３２と、エンジン４の回転数を設定するための回転数設定手段３４と、交流発電機６の予測温度を演算するための予測温度演算手段３６と、エンジン４の基準回転数を補正するための回転数補正手段３８と、を備えている。

記憶手段３０は例えばメモリなどから構成され、この記憶手段３０には設定回転数データが記憶されている。この設定回転数データは、第１設定回転数データ及び第２設定回転数データを含んでおり、第１設定回転数データは、交流発電機６の温度とエンジン４の回転数（すなわち、第１回転数データ）との関係を示すデータであり、エンジン４の起動時にその回転数を設定するときに利用され、また第２設定回転数データは、負荷電力の大きさとエンジン４の回転数（すなわち、第２回転数データ）との関係を示すデータであり、エンジン２の起動後の電力負荷が作用したときにその回転数を設定するときに利用される。第１回転数データは、エンジン４を起動させる際に設定されるエンジン４の回転数に関するデータであって、エンジン４の起動時において交流発電機６の発電電圧が安定するのに最適な回転数に関するデータである。第２回転数データは、各負荷電力Ｗ_１，Ｗ_２，Ｗ_３及びＷ_４においてそれぞれ交流発電機６の温度が基準温度（Ｔ_ｂ）（飽和温度近辺の温度）に達したときに、コンバータ８の直流側における直流電圧が所定値（例えば、４００Ｖ）となるときのエンジン４の回転数に関するデータである。第１及び第２設定回転数データはそれぞれ、例えば予め測定実験などを複数回行うことによって得られ、第１設定回転数データは、例えば図２に示すようなマップ形式により記憶手段３０に記憶され、また第２設定回転数データは、例えば図３に示すようなテーブル形式により記憶手段３０に記憶されている。

読出し手段３２は、記憶手段３０に記憶された第１及び第２設定回転数データから第１及び第２回転数データを読み出すためのものである。読出し手段３２は、エンジン４の起動時においては、第１設定回転数データより交流発電機６の温度（検知温度）に対応する第１回転数データを読み出し、またエンジン４の起動後の電力負荷作用時においては、第２設定回転数データより電力負荷１４ａ〜１４ｄの負荷電力（検知負荷電力）に対応する第２回転数データを読み出す。

回転数設定手段３４は、記憶手段３０に記憶された第１及び第２設定回転数データを用いて、エンジン４の回転数を次のようにして設定する。回転数設定手段３４より所定のパルス信号がエンジン４のモータ１８に送給されると、エンジン４のスロットル弁１６の開度が調節され、これによりエンジン４の回転数が制御される。回転数設定手段３４より送給されるパルス信号は出力上昇信号及び出力低下信号から構成され、回転数設定手段３４より出力上昇信号が１パルス送給されると、スロットル弁１６の開度が開度大側に一段階大きくなり、これによってエンジン４の回転数が所定回転数上昇して交流発電機６の発電電圧が幾分高くなり、また出力低下信号が１パルス送給されると、このスロットル弁１６の開度が開度小側に一段階小さくなり、これによってエンジン４の回転数が所定回転数低下して交流発電機６の発電電圧が幾分低くなる。この回転数設定手段３４は、エンジン４の起動時においては、読出し手段３２により読み出された第１回転数データをエンジン４の初期設定回転数として設定し、またエンジン４の起動後の電力負荷の作用時においては、読出し手段３２により読み出された第２回転数データをエンジン４の基準回転数として設定する。

予測温度演算手段３６は、温度検知手段２４の検知温度に基づき、所定時間後、例えば５秒後における交流発電機６の温度（すなわち、予測温度）を演算し、かかる演算は例えば次のようにして行われる。予測温度演算手段３６は、まず温度検知手段２４より送給された検知温度の検知信号より、所定の時刻ａにおける交流発電機６の瞬時温度（Ｔ_ａ）を求め、さらにこの瞬時温度（Ｔ_ａ）を用いて所定の演算を行うことにより、時刻ａの瞬間における交流発電機６の温度変化率（Ｔ_ａ’）を求め、このようにして求めた瞬時温度（Ｔ_ａ）及び温度変化率（Ｔ_ａ’）に基づき下記の数式（１）による演算を行うことにより、時刻ａよりｔ秒後（例えば５秒後）における交流発電機６の予測温度（Ｔ_ａ＋ｔ）を演算する。なお、数式（１）において、αは定数である。

回転数補正手段３８は、予測温度演算手段３６により演算して得られた予測温度（Ｔ_ａ＋ｔ）と、上述の基準温度（Ｔ_ｂ）との温度差（Ｔ_ａ＋ｔ−Ｔ_ｂ）に基づき所定の演算を行うことにより、回転数設定手段３４により設定された基準回転数を補正する。予測温度（Ｔ_ａ＋ｔ）と基準温度（Ｔ_ｂ）との温度差と、基準回転数の補正量（すなわち、補正回転数）との関係は図４に示す通りである。回転数補正手段３８は、例えば予測温度が基準温度よりも低い場合には、交流発電機６の永久磁石（図示せず）の磁力の低下が少なく、且つコイルの抵抗の増大が小さく、従って所定時間後において交流発電機６の発電電圧が上昇すると判断し、基準回転数を低下させる補正を行い、また予測温度が基準温度を超える場合には、この永久磁石の磁力の低下が大きく、且つコイルの抵抗の増大が大きく、従って所定時間後において交流発電機６の発電電圧が低下すると判断し、基準回転数を上昇させる補正を行う。

次に、この発電システム２の制御方法について説明すると、次の通りである。発電システム２が起動される場合について説明すると、エンジン４の起動直前において、温度検知手段２４は交流発電機６の温度を検知し、エンジン４の起動直前における検知温度（Ｔ_１）の検知信号を制御手段２８へと送給する。読出し手段３２は、記憶手段３０に記憶された第１設定回転数データに基づき、検知温度（Ｔ_１）に対応する第１回転数データ（Ｎ_１）を読み出す（図２参照）。回転数設定手段３４は、この読み出された回転数データ（Ｎ_１）をエンジン４の初期設定回転数として設定し、エンジン４のモータ１８に所定のパルス信号を送給してスロットル弁１６の開度を所定の開度に調節し、これによりエンジン４はこの初期設定回転数（Ｎ_１）でもって起動される。このようにして、エンジン４の起動直前における交流発電機６の温度に基づき、エンジン４の初期設定回転数を設定しているので、起動時の交流発電機６の発電電圧は所定の発電電圧となり、発電システム２を安定して起動させることが可能となる。

エンジン４の起動後に電力負荷（例えば、電力負荷１４ａ〜１４ｄのうち２つの電力負荷）が作用すると、負荷電力検知手段２６は負荷電力（Ｗ_２）を検知し、読出し手段３２は、記憶手段３０に記憶された第２設定回転数データに基づき、負荷電力検知手段２６により検知された検知負荷電力（Ｗ_２）に対応する第２回転数データ（例えば、１９００ｒｐｍ）を読み出し（図３参照）、回転数設定手段３４は、この読み出された第２回転数データ（例えば、１９００ｒｐｍ）をエンジン４の基準回転数として設定する。また、温度検知手段２４は検知信号を制御手段２８へと送給し、予測温度演算手段３６は、この検知信号に基づき上述したような演算を行うことにより、現時刻ａよりｔ秒後（例えば５秒後）における交流発電機６の予測温度（Ｔ_ａ＋ｔ）を演算する。そして、回転数補正手段３８は、予測温度（Ｔ_ａ＋ｔ）と基準温度（Ｔｂ）との温度差に基づき所定の演算を行うことにより補正回転数を算出し、この補正回転数でもって基準回転数を補正する。例えば、予測温度（Ｔ_ａ＋ｔ）が基準温度（Ｔ_ｂ）よりも低い場合、回転数補正手段３８は、基準回転数（例えば、１９００ｒｐｍ）を温度差（−ΔＴ_２）に対応する補正回転数（−Ｎ_２）だけ低下させる補正を行い、回転数設定手段３４は、この補正された基準回転数（１９００−Ｎ_２）を現時刻ａよりｔ秒後におけるエンジン４の回転数として設定する。これによりエンジン４は、現時刻ａよりｔ秒後においてその時の交流発電機６、特に永久磁石の温度を予測して補正された基準回転数（１９００−Ｎ_２）でもって回転され、このようなエンジン４の回転数の制御を行うことにより、交流発電機６の温度変動を考慮してコンバータ８の直流側における直流電圧は４００Ｖで一定に制御される。

また例えば、予測温度（Ｔ_ａ＋ｔ）が基準温度（Ｔ_ｂ）よりも高い場合、回転数補正手段３８は、基準回転数（例えば、１９００ｒｐｍ）を温度差（ΔＴ_３）に対応する補正回転数（Ｎ_３）だけ上昇させる補正を行い、回転数設定手段３４は、この補正された基準回転数（１９００＋Ｎ_３）を現時刻ａよりｔ秒後におけるエンジン４の回転数として設定する。これにより、エンジン４は、現時刻ａよりｔ秒後においてその時の交流発電機６の温度を予測して補正された基準回転数（１９００＋Ｎ_３）でもって回転され、このようなエンジン４の回転数の制御を行うことにより、交流発電機６の温度変動を考慮してコンバータ８の直流側における直流電圧は４００Ｖで一定に制御される。

以上のようにエンジン４が起動されてから交流発電機６の温度が飽和温度に達するまでの間において、現時刻より所定時間後における交流発電機６の温度を予測し、この予測温度に基づきエンジン４の回転数を制御することにより、エンジン４の回転数の制御に制御遅れが生じることがなく、精度よくコンバータ８の直流側における直流電圧を一定に制御することが可能となる。交流発電機６の温度が飽和温度に達した後においても、上述したのと同様にエンジン４の回転数の制御が行われる。

このような発電システム２の稼働状態において、例えば残りの２つの電力負荷が投入されて負荷電力がＷ_２からＷ_４に増大すると、読出し手段３２は、第２設定回転数データに基づいてこの負荷電力（Ｗ_４）に対応する第２回転数データ（例えば、２０００ｒｐｍ）を読み出し、回転数設定手段３４は、この読み出された第２回転数データをエンジン４の基準回転数として設定する。そして、上述したのと同様にして、予測温度演算手段３６は、現時刻より所定時間後における交流発電機６の予測温度を演算し、回転数補正手段３８は、この予測温度に基づき基準回転数を補正する。このようにして、エンジン４は補正された基準回転数でもって回転され、コンバータ８の直流側における直流電圧は４００Ｖで一定に制御される。このように電力負荷１４ａ〜１４ｄに負荷変動が生じた場合であっても、コンバータ８の直流側における直流電圧の変動を抑制して一定に保持させることができ、発電システム２を安定して運転させることが可能となる。

ここで、本発明の発電システム２における優れた効果、すなわちエンジン４の起動時及び負荷変動時においてコンバータ８の直流側における直流電圧の変動を抑制することが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１００（図７参照）について、図５に基づき説明する。図５は、エンジンを起動させてから交流発電機の温度が飽和温度に達するまでの間における、コンバータの直流側における直流電圧を示す波形図である。従来の発電システム１００では、コンバータ１０６の直流側における直流電圧は図５に示すように変動する。エンジン１０２の起動時においては、交流発電機の発電電圧が環境条件により僅かに異なるために、直流電圧制御により交流発電機の発電電圧が変動し、これに伴いコンバータ１０６の直流側における直流電圧も変動する。また、エンジン１０２を起動させてからｔ_１秒後に、電力負荷が増大してＷ_２になると、瞬間的な負荷の増大に制御が追いつかなくなるためにコンバータ１０６の直流側の直流電圧が低下する。このように直流電圧が低下すると、エンジン１０２の回転数を上昇させる制御が行われて発電電圧が上昇し、これによってコンバータ１０６の直流側の直流電圧も上昇する。一方、電力負荷の増大によって交流発電機の温度が徐々に上昇すると、発電電圧が低下し、これによってコンバータ１０６の直流側の直流電圧が低下する。直流電圧が低下すると、再びエンジン１０２の回転数を上昇させる制御が行われて交流発電機の発電電圧が上昇し、これによってコンバータ１０６の直流側の直流電圧も上昇する。このようにコンバータ１０６の直流電圧が変動するので、交流発電機の温度が安定するまでコンバータ１０６の直流電圧も安定しない（図５中の矢印Ｐで示した点線で囲った領域を参照）。

これに対し、上述した発電システム２（図１に示す発電システム）では、コンバータ８の直流側における直流電圧は図６に示すように変動する。図６は、エンジンが起動されてから交流発電機の温度が飽和温度に達するまでに間における、コンバータの直流側における直流電圧を示す波形図であり、上述した発電システム２では、エンジン４の起動時において、周囲温度を考慮して初期設定回転数が設定されるので、コンバータ８の直流側における直流電圧は０Ｖから４００Ｖまで上昇した後は４００Ｖでほぼ一定となり、起動時の直流電圧が安定する。また、エンジン４が起動してからｔ_１秒後に、電力負荷が作用してその負荷電力がＷ_２になると、コンバータ８の直流側における直流電圧は一旦４００Ｖよりも低下した後に上昇するものの、交流発電機６の予測温度、特に永久磁石の予測温度を考慮してエンジン４の回転数を設定するので、この上昇した際のピークは従来よりも大幅に小さくなり（図６中の矢印Ｑで示した点線で囲った領域を参照）、その後、直流電圧は上昇及び下降を繰り返して４００Ｖに収束される。

このように本発明の発電システム２では、エンジン４の起動時においては、エンジン４の起動直前における交流発電機６の温度に応じた初期設定回転数でもってエンジン４が回転されるので、発電電圧の変動を抑制してコンバータ８の直流側における直流電圧を安定させることができる。またエンジン４の起動後の電力負荷が作用したときには、交流発電機６の予測温度に基づき基準回転数を補正し、この補正された基準回転数でもってエンジン４を回転させるので、エンジン４の回転数の制御に制御遅れが生じることがなく、精度よくコンバータ８の直流側における直流電圧を一定に制御することができる。特に、エンジン４を起動させてから交流発電機６の温度が飽和温度に達するまでの間や、負荷変動が生じた場合などであっても、コンバータ８の直流側における直流電圧の変動を抑制することが可能となり、発電システム２を安定して運転させることが可能となる。

以上、本発明に従う発電システムの一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。

例えば、上記実施形態では、回転数設定手段３４は、エンジン４のスロットル弁１６の開度を調節することによりエンジン４の回転数を制御するように構成したが、これに限られず、例えばエンジン４に供給される燃料の供給量を制御するための燃料供給バルブ（図示せず）の開度を調節することによりエンジン４の回転数を制御するように構成するようにしてもよい。

また例えば、上記実施形態では、第２設定回転数データをテーブル形式で構成したが、第１設定回転数データと同様にマップ形式で構成してもよく、あるいは、第１設定回転数データをテーブル形式で構成するようにしてもよい。

また例えば、上記実施形態では、電力負荷１４ａ〜１４ｄの各々において消費される電力は全て等しく構成したが、これに限られず、これら電力は適宜設定することができる。また例えば、温度検知手段２４は、交流発電機６のコイルの温度を検知するように構成したが、交流発電機６の筐体内部の温度を検知するようにしてもよい。

本発明の一実施形態による発電システム簡略的に示すブロック図である。交流発電機の温度とエンジンの回転数との関係を示す図である。負荷電力の大きさとエンジンの基準回転数との関係を示す図である。予測温度と基準温度との温度差と、補正回転数との関係を示す図である。従来の発電システムを用いた比較実験におけるコンバータの直流側における直流電圧波形を示す波形図である。本発明の発電システムを用いた実験におけるコンバータの直流側における直流電圧波形を示す波形図である。従来の発電システムを簡略的に示すブロック図である。

符号の説明

２，１００発電システム
４，１０２エンジン
６，１０４交流発電機
８，１０６コンバータ
１０，１０８インバータ
１２，１１４商用電源
１４ａ〜１４ｄ，１１６ａ〜１１６ｄ電力負荷
２４温度検知手段
２６負荷電力検知手段
２８制御手段
３０記憶手段
３２読出し手段
３４回転数設定手段
３６予測温度演算手段
３８回転数補正手段

Claims

エンジンと、前記エンジンによって駆動される交流発電機と、前記交流発電機からの発電電力を所定の直流電力に変換するためのコンバータと、前記コンバータからの直流電力を所定の交流電力に変換するためのインバータと、を備え、前記インバータからの交流電力は商用電源と系統連系され、前記インバータ及び前記商用電源からの交流電力が電力負荷に供給される発電システムであって、
前記交流発電機の温度を検知するための温度検知手段と、前記エンジンの回転数を制御するための制御手段と、が設けられ、前記制御手段は、前記エンジンの回転数を設定するための回転数設定手段と、前記交流発電機の温度と前記エンジンの回転数との関係を示す設定回転数データが記憶された記憶手段と、前記記憶手段に記憶された設定回転数データを読み出すための読出し手段と、を備えており、
前記エンジンの起動時において、前記読出し手段は、設定回転数データより前記温度検知手段の検知温度に対応する回転数データを読み出し、前記回転数設定手段は、読み出された回転数データを前記エンジンの初期設定回転数として設定することを特徴とする発電システム。
エンジンと、前記エンジンによって駆動される交流発電機と、前記交流発電機からの発電電力を所定の直流電力に変換するためのコンバータと、前記コンバータからの直流電力を所定の交流電力に変換するためのインバータと、を備え、前記インバータからの交流電力は商用電源と系統連系され、前記インバータ及び前記商用電源からの交流電力が電力負荷に供給される発電システムであって、
前記交流発電機の温度を検知するための温度検知手段と、前記エンジンの回転数を制御するための制御手段と、が設けられており、
前記エンジンの起動後において、前記制御手段は、前記温度検知手段の検知温度に基づき所定時間後の前記交流発電機の温度を予測し、この予測温度に基づき前記エンジンの回転数を設定することを特徴とする発電システム。
前記電力負荷に関連して、前記電力負荷における負荷電力を検知するための負荷電力検知手段が設けられており、
前記制御手段は、前記エンジンの回転数を設定するための回転数設定手段と、前記交流発電機の予測温度を演算するための予測温度演算手段と、前記電力負荷の大きさと前記エンジンの回転数との関係を示す設定回転数データが記憶された記憶手段と、前記記憶手段に記憶された設定回転数データを読み出すための読出し手段と、を備え、
前記予測温度演算手段は、前記温度検知手段の検知温度に基づき所定時間後の前記交流発電機の予測温度を演算し、前記読出し手段は、設定回転数データより前記負荷電力検知手段により検知された検知負荷電力に対応する回転数データを読み出し、前記回転数設定手段は、読み出された回転数データを前記エンジンの基準回転数として設定することを特徴とする請求項２に記載の発電システム。
前記制御手段は、基準回転数を補正する回転数補正手段を備え、前記回転数補正手段は、予測温度に基づき基準回転数を補正し、前記回転数設定手段は、補正された基準回転数を前記エンジンの回転数として設定することを特徴とする請求項３に記載の発電システム。