JP5868170B2 - コージェネレーションシステム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、混合気を燃焼室にて燃焼させて回転動力を出力するエンジンと、
前記エンジンの排熱により熱負荷へ供給される熱媒を加熱する排熱回収機構部と、
前記エンジンの軸動力により電力負荷へ供給される電力を発電する発電機構部とを備えたコージェネレーションシステム及びその制御方法に関する。

上記のようなコージェネレーションシステムは、上記排熱回収機構部を備えて、エンジンから排出された排ガスやジャケット水等が有する排熱により水等の熱媒を加熱して温水や蒸気を生成し、その温水や蒸気などを熱負荷に供給し、更に、それに加えて上記発電機構部を備えて、エンジンの軸動力により発電した電力を電力負荷に供給するように構成されている。

かかるコージェネレーションシステムでは、熱負荷での要求熱量の状態の変化に柔軟に対応するために、排熱回収機構部の発生熱量を上記要求熱量の状態に応じて変更可能とすることが望まれている。
特に、刻々と変化する電力負荷での要求電力に対する熱負荷での要求熱量の割合（以下、「要求熱電比」（＝要求熱量／要求電力（量）））に柔軟に対応して、省エネルギ性を向上するために、発電機構部の発電電力に対する排熱回収機構部の発生熱量の割合（以下、「発生熱電比」（＝発生熱量／発電電力（量））を上記要求熱電比の変動に応じて変更可能とすることが望まれている。

そこで、従来のコージェネレーションシステムにおいて、上記発生熱電比を可変とする技術が知られている（例えば、特許文献１及び２を参照。）。
特許文献１に記載のコージェネレーションシステムでは、一定の軸出力下においてエンジンの点火時期を遅角側に変更することで排ガスの温度が上昇するという特性を利用して、上記発生熱電比を可変としている。即ち、要求熱量が小さく上記要求熱電比率が低い場合には、エンジンの点火時期を軸出力を比較的大きくできる進角側に設定して、電力を優先して発生させる。また、要求熱量が大きく上記要求熱電比率が高い場合には、エンジンの点火時期を排ガス温度を比較的高くできる遅角側に設定して、熱を優先して発生させる。
一方、特許文献２に記載のコージェネレーションシステムでは、一定の軸出力下において混合気の空燃比を空気過剰側からストイキ側へ低下させることで排ガスの温度が上昇するという特性を利用して、同様に発生熱電比を可変としている。

上述した従来のコージェネレーションシステムとは別に、発電システムとして、電力負荷に接続された一次巻線を備える固定子と、二次巻線を備えエンジンの回転動力で回転する回転子とを有する二次励磁発電機と、二次巻線に励磁電流を印加する電力変換機とを備えたものが知られている（例えば、特許文献３を参照。）。
かかる二次励磁発電機を用いた発電システムは、主に風力発電や揚水式発電に用いられるものであるが、エンジンを駆動源とするコージェネレーションシステムにも用いればエンジンの回転速度を自由に選択できるため運転範囲の拡大や商用周波数の異なる地域でのエンジン共通化が可能となる。

特開２００５−２６４７５５号公報 特開２００８−２４０５５７号公報 特開２００９−０２７７６６号公報

しかしながら、上記特許文献１及び２に記載のコージェネレーションシステムでは、点火時期や空燃比を変更することにより排ガスの温度を変化させることで、発生熱電比を要求熱電比に合わせるものであるが、かかる点火時期や空燃比の変更はエンジンの回転速度の変化を伴うものではなく、通常、エンジンの回転速度については電力負荷において求められる交流電力の系統周波数に合わせた一定の回転速度に設定するため、これら点火時期や空燃比の調整幅を大きくとることは困難である。
また、点火時期や空燃比を大幅に変更すると、燃焼室における燃焼状態が変化するので、安定運転を維持できない場合がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、コージェネレーションシステムにおいて、エンジンの安定運転を維持しながら、熱負荷に供給される発生熱量に対して電力負荷に供給される発電電力を適切なものに設定してエネルギ効率の向上を図ることができる技術を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係るコージェネレーションシステムは、
混合気を燃焼室にて燃焼させて回転動力を出力するエンジンと、
前記エンジンの排熱により熱負荷へ供給される熱媒を加熱する排熱回収機構部と、
前記エンジンの軸動力により電力負荷へ供給される電力を発電する発電機構部とを備えたコージェネレーションシステムであって、
その第１特徴構成は、
前記発電機構部が、
前記電力負荷に接続された一次巻線を備える固定子と、二次巻線を備え前記エンジンの回転動力で回転する回転子とを有する二次励磁発電機と、前記二次巻線に励磁電流を印加する電力変換機とを備えて構成され、
前記熱負荷における要求熱量と前記電力負荷における要求電力とから前記エンジンの目標回転速度と目標トルクとを決定する目標値決定処理を実行する目標値決定手段を備え、
前記目標トルクに基づいて前記励磁電流を制御して、前記エンジンのトルクを前記目標トルクに設定する励磁電流制御を実行する励磁制御手段と、
前記目標回転速度に基づいて前記エンジンの出力を制御して、前記エンジンの回転速度を前記目標回転速度に設定する出力制御を実行する出力制御手段とを備えた点にある。

また、上記目的を達成するための本発明に係るコージェネレーションシステムの制御方法は、
混合気を燃焼室にて燃焼させて回転動力を出力するエンジンと、
前記エンジンの排熱により熱負荷へ供給される熱媒を加熱する排熱回収機構部と、
前記エンジンの軸動力により電力負荷へ供給される電力を発電する発電機構部とを備えたコージェネレーションシステムの制御方法であって、
その第１特徴構成は、
前記発電機構部を、
前記電力負荷に接続された一次巻線を備える固定子と、二次巻線を備え前記エンジンの回転動力で回転する回転子とを有する二次励磁発電機と、前記二次巻線に励磁電流を印加する電力変換機とを備えて構成し、
前記熱負荷における要求熱量と前記電力負荷における要求電力とから前記エンジンの目標回転速度と目標トルクとを決定する目標値決定処理を実行すると共に、
前記目標トルクに基づいて前記励磁電流を制御して、前記エンジンのトルクを前記目標トルクに設定する励磁電流制御と、前記目標回転速度に基づいて前記エンジンの出力を制御して、前記エンジンの回転速度を前記目標回転速度に設定する出力制御とを実行する点にある。

本発明に係るコージェネレーションシステム及びその制御方法の第１特徴構成によれば、発電機構部として二次励磁発電機と当該二次励磁発電機の二次巻線に励磁電流を印加する電力変換機とを備えた発電機構部を備えているから、その励磁電流の周波数及び向きを制御することで、一次巻線から取り出される発電電力の周波数を系統周波数等の所望の周波数に設定することができ、エンジンの回転速度を発電電力の周波数とは関係なく略自由に変化させることができる。
よって、目標値決定手段による目標値決定処理においては、要求熱量と要求電力とから、エンジンの排熱量が要求熱量に適合し且つ二次励磁発電機の発電電力が要求電力に適合してエネルギ効率の向上し得るようなエンジンの目標回転速度と目標トルクとを決定することができる。
そして、励磁制御手段による励磁電流制御では、エンジンから回転子に伝達されるトルクが上記のように決定された目標トルクになるように励磁電流の大きさを制御し、一方、出力制御手段による出力制御では、エンジンから回転子に伝達される回転速度が上記のように決定された目標回転速度になるようにエンジンの出力を制御することで、エンジンは目標回転速度で且つ目標トルクの回転動力を出力するようになる。

よって、上記エンジンにおいては、回転速度とトルクとのバランスを調整するだけで燃焼状態を変化させることがないので安定した運転状態を維持できるようになり、排熱回収機構部においては、所望の要求熱量に適合した熱がエンジンの排熱として回収し熱負荷へ供給できるようになり、また、発電機構部においては、所望の要求電力に適合した電力を二次励磁発電機で発電して電力負荷へ供給できるようになる。
従って、コージェネレーションシステムにおいて、エンジンの安定運転を維持しながら、熱負荷に供給される発生熱量に対して電力負荷に供給される発電電力を適切なものに設定してエネルギ効率の向上を図る技術を確立することができる。

本発明に係るコージェネレーションシステムの第２特徴構成は、
前記目標値決定手段が、前記要求電力の増加に伴って前記目標回転速度と前記目標トルクとの積を増加させ、且つ、前記要求熱量の増加に伴って前記目標回転速度を増加させる形態で、前記目標回転速度と前記目標トルクとを決定する点にある。

本特徴構成によれば、二次励磁発電機では、エンジンから回転子にかかる回転動力の回転速度とトルクとの積に比例して発電電力の大きさが決定されることから、目標値決定手段により、要求電力の増加に伴って目標回転速度と目標トルクとの積を増加させる形態で目標トルクが決定される。そして、励磁制御手段により、その目標トルクに基づいて励磁電流を制御すれば、要求電力に適合した発電電力を二次励磁発電機に発生させることができる。
一方、エンジンでは、回転速度とトルクとの積である仕事量が一定である場合には、回転速度に比例して排熱量が決定されることから、目標値決定手段により、要求熱量の増加に伴って目標回転速度を増加させる形態で目標回転速度が決定される。そして、出力制御手段により、その目標回転速度に基づいてエンジンの出力を制御すれば、要求熱量に適合した排熱をエンジンに発生させることができる。

本発明に係るコージェネレーションシステムの第３特徴構成は、
前記一次巻線が電力系統に接続され、
前記励磁制御手段が、前記励磁電流の周波数及び向きを制御して、前記一次巻線の出力電力の周波数を前記電力系統に同期させる同期制御を実行する点にある。

本特徴構成によれば、二次励磁発電機において、一次巻線が電力系統に接続したとしても、励磁制御手段により同期制御を実行することにより、二次巻線に対する励磁電流の周波数及び向きを制御することで、一次巻線から発電される発電電力の周波数を、当該電力系統の周波数に同期させることができる。

本発明に係るコージェネレーションシステムの第４特徴構成は、
前記出力制御手段が、前記エンジンの回転速度に基づいて前記エンジンの吸気量をフィードバック制御する手段である点にある。

本特徴構成によれば、出力制御手段を、エンジンの回転速度に基づいてエンジンの吸気量をフィードバック制御するという一般的な手段として構成しても、エンジンの排熱量を変化させて、熱負荷における要求熱量にあった排熱を発生させることができる。

本発明の実施の形態にかかるコージェネレーションシステムの概略構成図

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。
図１に示すように、コージェネレーションシステム１００は、混合気Ｍを燃焼室１ａにて燃焼させて回転動力を出力するエンジン１と、エンジン１の排熱により熱負荷１５へ供給される熱媒を加熱する排熱回収機構部１００Ａと、エンジン１の軸動力により電力負荷６１へ供給される電力を発電する発電機構部１００Ｂとを備えて構成されている。
以下、夫々の基本構成について説明する。

〔エンジン〕
エンジン１は、通常の４サイクル式のエンジンとして構成されている。エンジン１の燃焼室１ａには、混合気Ｍを吸引する吸気路３、及び、エンジン１から排出される排ガスＥが通流する排気路４が接続されている。吸気路３には、ミキサ８を介して、天然ガス系都市ガス１３Ａ等の燃料ガスＧを供給する燃料供給路９が接続されている。
吸気路３の端部からエアークリーナ（図示せず）を通じて吸気される燃焼用空気Ａは、ミキサ８において燃料供給路９から供給される燃料ガスＧと混合されて、混合気Ｍが形成される。その混合気Ｍは、吸気路３において、過給機（図示せず）を通過して燃焼室１ａに吸気される。燃焼室１ａに吸気された混合気Ｍは、ピストン（図示せず）の上昇により圧縮された状態で点火プラグ（図示省略）にて点火されて燃焼・膨張することで、ピストンを押し下げて出力軸１ｂが回転し、回転動力が出力される。燃焼により発生した排ガスＥは、燃焼室１ａから排気路４に押し出され、過給機を回転させた後に、外部に排出される。
更に、このエンジン１には、出力軸１ｂの回転速度、即ちエンジン１の回転速度を検出する回転速度センサ１ｃが設けられており、回転速度センサ１ｃの検出情報は制御装置７０に入力されるように構成されている。

吸気路３には、燃焼室１ａに吸気される混合気Ｍの吸気量を調整可能なスロットルバルブ６が設けられている。制御装置７０が機能する出力制御手段７２は、このスロットルバルブ６の開度を回転速度センサ１ｃの検出結果に基づいてフィードバック制御する形態で、目標回転速度に基づいてエンジン１の出力を制御して、エンジン１の回転速度を所定の目標回転速度に設定する出力制御を実行する。
即ち、出力制御において、エンジン１の回転速度が目標回転速度に対して低下傾向にある場合には、スロットルバルブ６の開度が拡大されて燃焼室１ａへの混合気Ｍの吸気量が増加され、逆に、エンジン１の回転速度が同目標回転速度に対して上昇傾向にある場合には、スロットルバルブ６の開度が縮小されて燃焼室１ａへの混合気Ｍの吸気量が減少される。このような出力制御により、エンジン１の出力が調整されて、エンジン１の回転速度が設定回転速度付近に維持される。

燃料供給路９には、ミキサ８への燃料ガスＧの供給量を調整可能な燃料供給弁１０が設けられている。この燃料供給弁１０の開度は、制御装置７０によりスロットルバルブ６の開度に基づいて制御される。即ち、スロットルバルブ６の開度が拡大しミキサ８を通流する燃焼用空気Ａの流量が増加する場合には、燃料供給弁１０の開度が拡大されて、ミキサ８への燃料ガスＧの供給量が燃焼用空気Ａの流量増加に合わせて増加される。逆に、スロットルバルブ６の開度が縮小しミキサ８を通流する燃焼用空気Ａの流量が減少する場合には、燃料供給弁１０の開度が縮小されて、ミキサ８への燃料ガスＧの供給量が燃焼用空気Ａの流量減少に合わせて減少される。即ち、制御装置７０は、ミキサ８への燃料ガスＧの供給量を調整し、ミキサ８に供給される燃焼用空気Ａの供給量に対する燃料ガスＧの供給量の割合である空燃比を所定の設定空燃比に設定するように構成されている。

〔排熱回収機構部〕
排熱回収機構部１００Ａは、エンジン１の排熱により熱負荷１５へ供給される熱媒を加熱するものであり、具体的には、エンジン１から排出された排ガスＥとの熱交換により水Ｗを加熱して水蒸気Ｓを生成する蒸気ボイラ５を備え、その蒸気ボイラ５で生成した水蒸気Ｓを、吸収式空調装置やその他蒸気利用部などの熱負荷１５に供給するように構成されている。
蒸気ボイラ５は、排気路４を通じて排出された排ガスＥを熱源として筐体内に取り入れると共に、給水路１１を通じて供給された熱媒としての水Ｗを筐体内に配置された熱交換器１２に通流させることで、排ガスＥとの熱交換により水Ｗを加熱して水蒸気Ｓを生成し、その水蒸気Ｓを蒸気供給管１３側に吐出するように構成されている。
蒸気供給管１３には、水蒸気Ｓの供給量を調整可能な調整弁１４が設けられており、その調整弁１４の開度は、制御装置７０により、水蒸気Ｓの温度が所望の温度になるように制御される。

〔発電機構部〕
発電機構部１００Ｂは、エンジン１の軸動力により電力負荷６１へ供給される電力を発電するものであり、具体的には、電力負荷６１に接続された一次巻線（図示せず）を備える固定子２ｂ（ステータ）と、二次巻線（図示せず）を備えエンジン１の回転動力で回転する回転子２ａ（ロータ）とを有する二次励磁発電機２と、二次巻線に励磁電流を印加する電力変換機としての第１電力変換機３１及び第２電力変換機３２とを備えて構成されており、要求電力としての定格電力に相当する発電電力を出力する。

更に、固定子２ｂの一次巻線は電力系統（商用電力系統）６０に接続されており、第１電力変換機３１の交流側が同電力系統６０に接続され、第２電力変換機３２の交流側が回転子２ａの二次巻線に接続され、第１電力変換機３１の直流側と第２電力変換機３２の直流側とを接続する直流部３３とを備える。
そして、二次励磁発電機２は、電力系統６０と同じ周波数（例えば、５０［Ｈｚ］や６０［Ｈｚ］）の電力（三相の交流電力）を発電し、当該電力を、電力を消費する電力負荷６１や電力系統６０に供給することが可能に構成されている。尚、電力負荷６１としては、例えば、冷暖房設備が備える室内機や室外機、或いは電灯等がある。

二次励磁発電機２の固定子２ｂが備える一次巻線は、第１スイッチ４１及び第２スイッチ４２を介して電力系統６０に接続されている。また、固定子２ｂが備える一次巻線は、第１スイッチ４１及び第３スイッチ４３を介して電力負荷６１にも接続されている。一方、回転子２ａが備える二次巻線は、フィルタ回路３０、第２電力変換機３２、直流部３３、第１電力変換機３１、フィルタ回路３０、変圧器４４、及び第２スイッチ４２を介して電力系統６０に接続されている。また、回転子２ａが備える二次巻線は、フィルタ回路３０、第２電力変換機３２、直流部３３、第１電力変換機３１、フィルタ回路３０、変圧器４４、及び第３スイッチ４３を介して電力負荷６１にも接続されている。
以下の説明では、固定子２ｂが備える一次巻線側を「二次励磁発電機の一次側」と呼び、回転子２ａが備える二次巻線側を「二次励磁発電機の二次側」と呼ぶ場合がある。よって、二次励磁発電機２の一次側に発生する電力（電圧、電流）の周波数が、電力負荷６１や電力系統６０に供給される電力の周波数となる。

エンジン１の出力軸１ｂは、二次励磁発電機２の回転子２ａに機械的に連結されており、当該回転子２ａを駆動（回転駆動）する。エンジン１の出力軸１ｂは、本例では、回転子２ａと一体回転するように連結（直結）されており、回転子２ａはエンジン回転速度と同じ回転速度で回転する。尚、エンジン１の出力軸１ｂと回転子２ａとの間に、減速機や増速機を設ける構成とすることもできる。

第１電力変換機３１は、交流側（図１における右側）が第１スイッチ４１を介して二次励磁発電機２の固定子２ｂ（一次巻線）に接続されていると共に、第２スイッチ４２を介して電力系統６０に接続されており、更に第３スイッチ４３を介して電力負荷６１に接続されている。また、第１電力変換機３１は、直流側（図１における左側）が直流部３３に接続されている。第２電力変換機３２は、交流側（図１における左側）が二次励磁発電機２の回転子２ａ（二次巻線）に接続されている。また、第２電力変換機３２は、直流側（図１における右側）が直流部３３に接続されている。そして、これらの第１電力変換機３１及び第２電力変換機３２のそれぞれは、直流側の直流電力を交流電力に変換（逆変換）して交流側に供給するインバータとしての機能と、交流側の交流電力を直流電力に変換（順変換）して直流側に供給するコンバータとしての機能と、の双方を果たすことが可能に構成されている。

このような第１電力変換機３１や第２電力変換機３２は、複数（例えば６個）のスイッチング素子を備えて構成される。スイッチング素子としては、ＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の種々の構造のパワートランジスタを採用することができる。そして、第１電力変換機３１や第２電力変換機３２にはＰＷＭ（ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調）信号が入力され、当該ＰＷＭ信号に基づきスイッチング素子がスイッチング動作（オンオフ動作）を行う。尚、第１電力変換機３１や第２電力変換機３２を作動させるためのＰＷＭ信号は、制御装置７０により生成される。

第１電力変換機３１の交流側及び第２電力変換機３２の交流側の双方には、インダクタンスとコンデンサとからなるフィルタ回路３０が設けられている。このフィルタ回路３０は、スイッチング素子のスイッチングにより発生した高周波成分を除去するフィルタであり、このフィルタ回路３０により、第１電力変換機３１や第２電力変換機３２からの出力電圧波形が正弦波状に変換される。

また、第１電力変換機３１の交流側に設けられたフィルタ回路３０より二次励磁発電機２側（電力系統６０側）には、変圧器４４が設けられている。以下の説明では、「変圧器の一次側」は、変圧器４４の第１電力変換機３１側を指し、「変圧器の二次側」は、変圧器４４の二次励磁発電機２側を指す。

直流部３３は、第１電力変換機３１の直流側と第２電力変換機３２の直流側とを接続する部分である。直流部３３にはキャパシタ３４が備えられていると共に、蓄電装置６２が接続されている。蓄電装置６２は、発電機構部１００Ｂの起動時に必要となる電力を供給する。また、蓄電装置６２を利用して、電力負荷６１や電力系統６０に供給される電力の変動を抑えることも可能である。蓄電装置６２は、例えば、蓄電池や電気二重層キャパシタ等で構成され、直流部３３に対して電力を供給して放電すること、及び直流部３３から電力の供給を受けて充電することが可能に構成される。尚、蓄電装置６２と直流部３３との間にスイッチを介在させることもできる。

第１スイッチ４１は、二次励磁発電機２の固定子２ｂ（一次巻線）と第１電力変換機３１とを選択的に接続する。第２スイッチ４２は、電力系統６０と第１電力変換機３１とを選択的に接続する。第１スイッチ４１は、第２スイッチ４２と協働して、二次励磁発電機２の固定子２ｂ（一次巻線）と電力系統６０とを選択的に接続すると共に、第３スイッチ４３と協働して、二次励磁発電機２の固定子２ｂ（一次巻線）と電力負荷６１とを選択的に接続する。また、第２スイッチ４２は、第３スイッチ４３と協働して、電力系統６０と電力負荷６１とを選択的に接続する。

第１スイッチ４１、第２スイッチ４２、及び第３スイッチ４３のそれぞれは、制御装置７０のスイッチ制御部（不図示）が生成する開閉信号に基づき開閉制御される。これらのスイッチは、例えば、電磁石の動作によって開閉する電磁接触型のスイッチ等とすることができる。

以上のような構成を備えた発電機構部１００Ｂは、発電電力の周波数（電圧、電流の周波数）に関して自由度の高いシステムとなっている。発電機構部１００Ｂの発電電力の周波数（二次励磁発電機２の一次側に誘起される一次側電圧の周波数）をｆ１とし、回転子２ａの回転周波数をｆ０とし、回転子２ａの二次巻線を励磁するために当該二次巻線に供給される交流電流（励磁電流）の周波数をｆ２とすると、「ｆ１＝ｆ０＋ｆ２」となる。ここで、回転子２ａの回転周波数ｆ０は、回転子２ａの回転速度（回転数）をｍ［ｒｐｍ］とし、二次励磁発電機２の磁極数をｎとして、「ｆ０＝ｍ×ｎ／１２０」から求まる。

具体的には、回転子２ａの回転速度が１１００［ｒｐｍ］であり、二次励磁発電機２の磁極数が「６」の場合には、回転子２ａの回転周波数ｆ０は５５［Ｈｚ］となる。よって、この場合に、第２電力変換機３２を制御して二次巻線に周波数が５［Ｈｚ］の励磁電流を供給すれば（ｆ２＝５［Ｈｚ］）、周波数が６０［Ｈｚ］の交流電力を得ることができる。また、逆に、第２電力変換機３２を制御して二次巻線から周波数が５［Ｈｚ］の励磁電流を取り出せば（ｆ２＝−５［Ｈｚ］）、周波数が５０［Ｈｚ］の交流電力を得ることができる。尚、回転子２ａの回転速度（即ちエンジン１の回転速度）は、同期回転速度以外の任意の回転速度を選択することができる。尚、同期回転速度は、電力系統６０の周波数が６０［Ｈｚ］であり、二次励磁発電機２の磁極数が「６」である場合には、１２００［ｒｐｍ］となる。

回転子２ａの回転速度（即ちエンジン回転速度）が同一であっても、回転子２ａの二次巻線に供給する励磁電流の周波数ｆ２及び向きを変えることで発電電力の周波数ｆ１を変化させることができる。即ち、制御装置７０が機能する励磁制御手段７３は、二次巻線に印加する励磁電流の周波数及び向きを制御して、一次巻線の出力電力（即ち、発電電力）の周波数を電力系統６０に同期させる同期制御を実行するように構成されている。
尚、第２電力変換機３２と回転子２ａの二次巻線との間の励磁電流の向きは、第２電力変換機３２から二次巻線へ励磁電流を供給するときの供給方向Ｘと、二次巻線から第２電力変換機３２へ励磁電流を取り出すときの取出方向Ｙとの間で切り替えられる。
よって、エンジン１の回転速度が変動したとしても、第２電力変換機３２を制御して、電力系統６０の周波数に対する回転子２ａの回転速度の不足分（又は過剰分）に相当する周波数の励磁電流を二次励磁発電機２の二次巻線に供給する（又は二次巻線から取り出す）ことで、第１電力変換機３１から電力系統６０の周波数と同じ周波数の発電電力が取り出されることになる。

更に、制御装置７０が機能する励磁制御手段７３は、二次巻線に印加する励磁電流をエンジン１の出力軸１ｂから回転子２ａに伝達されるトルクに比例する発電電力に基づいてフィードバック制御する形態で、目標トルクに基づいて励磁電流を制御して、回転子２ａに伝達されるトルクを所定の目標トルクに設定する励磁電流制御を実行する。
即ち、励磁電流制御において、回転子２ａにかかるトルクが目標トルクに対して低下傾向にあり発電電力が一定の定格電力に対して低下傾向にある場合には、励磁電流が拡大されて発電電力が増加され、逆に、回転子２ａにかかるトルクが目標トルクに対して上昇傾向にあり発電電力が一定の定格電力に対して上昇傾向にある場合には、励磁電流が縮小されて発電電力が減少される。このような励磁電流制御により、回転子２ａにかかるトルクが調整されて、発電電力が要求される定格電力（要求電力）付近に維持される。

以上のように構成されたコージェネレーションシステム１００は、制御装置７０が機能する目標値決定手段７１により、上述した出力制御で用いる目標回転速度、及び上述した励磁電流制御で用いる目標トルクを適切なものに決定する目標値決定処理を実行するように構成されており、これにより、エンジン１の安定運転が維持されながら、熱負荷１５に供給される発生熱量に対して電力負荷６１に供給される発電電力を適切なものに設定されて、エネルギ効率の向上が図られている。以下、目標値決定手段７１の詳細について説明する。

〔目標値決定手段〕
目標値決定手段７１は、熱負荷１５における要求熱量と電力負荷６１における要求電力とからエンジン１の目標回転速度と目標トルクとを決定する。
具体的には、二次励磁発電機２の発電電力は、回転子２ａにかかる回転速度とトルクとの積で決定されることから、目標値決定手段７１は、要求電力の増加に伴って目標回転速度と目標トルクとの積を増加させる形態で、当該積を決定する。尚、本実施形態では、要求電力が一定の定格電力となっているため、エンジン１の仕事量に相当する目標回転速度と目標トルクとの積は一定となる。
更に、エンジン１の排熱量は、回転速度とトルクとの積である仕事量が一定である場合には、回転速度に比例して排熱量が決定されることから、目標値決定手段７１は、要求熱量の増加に伴って目標回転速度を増加させる形態で目標回転速度が決定する。
即ち、エンジン１の回転速度が増加しトルクが減少すると、燃焼室１ａにおける燃焼温度が上昇して排ガスＥの温度が上昇するので、エンジン１の排熱量が増加し、蒸気ボイラ５で生成される水蒸気Ｓの量を増加させることができる。逆に、エンジン１の回転速度が減少しトルクが増加すると、燃焼室１ａにおける燃焼温度が低下して排ガスＥの温度が低下するので、エンジン１の排熱量が減少し、蒸気ボイラ５で生成される水蒸気Ｓの量を減少させることができる。

そして、このように決定された目標トルクが、励磁制御手段７３に送られて励磁電流制御で用いられるので、エンジン１から回転子２ａに伝達されるトルクが当該目標トルクになるように励磁電流の大きさが制御される。
一方、このように決定された目標回転速度が、出力制御手段７２に送られて出力制御で用いられるので、エンジン１から回転子２ａに伝達される回転速度が当該目標回転速度になるようにエンジン１の出力が制御される。
従って、エンジン１は目標回転速度で且つ目標トルクの回転動力を出力するようになり、二次励磁発電機２は所望の定格電力の電力を発生し、エンジン１は所望の要求熱量の排熱を発生することになる。

例えば、二次励磁発電機２にて８００ｋＷの電力を発電している場合において、目標値決定手段７１で決定されるエンジン１の回転速度及びトルクを変化させた場合の排ガスＥの温度を計測した結果を、下記表１に示す。
下記表１に示すように、エンジン１の回転速度（回転数）とトルクとを、それらの積に略比例する発電電力を一定としつつ夫々を変化させることで、排ガスＥの温度を変化させることができる。具体的には、エンジン１の回転速度を増加させトルクを減少させるほど、排ガスＥの温度を上昇させることができる。

〔別実施形態〕
（１）上記実施形態においては、排熱回収機構部１００Ａを、エンジン１から排出された排ガスＥとの熱交換により水Ｗを加熱して水蒸気Ｓを生成する蒸気ボイラ５を備えたものとして構成したが、別に、エンジンから排出された排ガス又は冷却水との熱交換により水を加熱して温水を生成するものとして構成するなど、適宜改変可能である。

（２）上記実施形態においては、励磁制御手段７３による励磁電流制御において、要求電力としての定格電力を一定にとして励磁電流を制御するように構成したが、別に、要求電力を可変として励磁電流を制御しても構わない。また、この場合、目標値決定手段７１による目標値決定処理では、要求電力の増加に伴って目標回転速度と目標トルクとの積を増加させる形態で当該積を決定するのであるが、エンジン１の仕事量の増加に伴いエンジン１の排熱の量が増加することを考慮して、要求熱量にあったエンジン１の目標回転速度及び目標トルクを決定することになる。また、目標値決定手段７１において、要求熱量及び要求電力に対応した目標回転速度及び目標トルクを決定するにあたり、要求熱量及び要求電力と目標回転速度及び目標トルクとの対応を示したマップを利用しても構わない。

本発明は、混合気を燃焼室にて燃焼させて回転動力を出力するエンジンと、前記エンジンの排熱により熱負荷へ供給される熱媒を加熱する排熱回収機構部と、前記エンジンの軸動力により電力負荷へ供給される電力を発電する発電機構部とを備えたコージェネレーションシステム及びその制御方法として好適に利用可能である。

１ ：エンジン
１ａ ：燃焼室
２ ：二次励磁発電機
２ａ ：回転子
２ｂ ：固定子
１５ ：熱負荷
３１ ：第１電力変換機（電力変換機）
３２ ：第２電力変換機（電力変換機）
６０ ：電力系統
６１ ：電力負荷
７１ ：目標値決定手段
７２ ：出力制御手段
７３ ：励磁制御手段
１００ ：コージェネレーションシステム
１００Ａ ：排熱回収機構部
１００Ｂ ：発電機構部
Ｅ ：排ガス
Ｍ ：混合気
Ｗ ：水（熱媒）

Claims (5)

1. 混合気を燃焼室にて燃焼させて回転動力を出力するエンジンと、
   前記エンジンの排熱により熱負荷へ供給される熱媒を加熱する排熱回収機構部と、
   前記エンジンの軸動力により電力負荷へ供給される電力を発電する発電機構部とを備えたコージェネレーションシステムであって、
   前記発電機構部が、
   前記電力負荷に接続された一次巻線を備える固定子と、二次巻線を備え前記エンジンの回転動力で回転する回転子とを有する二次励磁発電機と、前記二次巻線に励磁電流を印加する電力変換機とを備えて構成され、
   前記熱負荷における要求熱量と前記電力負荷における要求電力とから前記エンジンの目標回転速度と目標トルクとを決定する目標値決定処理を実行する目標値決定手段を備え、
   前記目標トルクに基づいて前記励磁電流を制御して、前記エンジンのトルクを前記目標トルクに設定する励磁電流制御を実行する励磁制御手段と、
   前記目標回転速度に基づいて前記エンジンの出力を制御して、前記エンジンの回転速度を前記目標回転速度に設定する出力制御を実行する出力制御手段とを備えたコージェネレーションシステム。
2. 前記目標値決定手段が、前記要求電力の増加に伴って前記目標回転速度と前記目標トルクとの積を増加させ、且つ、前記要求熱量の増加に伴って前記目標回転速度を増加させる形態で、前記目標回転速度と前記目標トルクとを決定する請求項１に記載のコージェネレーションシステム。
3. 前記一次巻線が電力系統に接続され、
   前記励磁制御手段が、前記励磁電流の周波数及び向きを制御して、前記一次巻線の出力電力の周波数を前記電力系統に同期させる同期制御を実行する請求項１又は２に記載のコージェネレーションシステム。
4. 前記出力制御手段が、前記エンジンの回転速度に基づいて前記エンジンの吸気量をフィードバック制御する手段である請求項１〜３の何れか１項に記載のコージェネレーションシステム。
5. 混合気を燃焼室にて燃焼させて回転動力を出力するエンジンと、
   前記エンジンの排熱により熱負荷へ供給される熱媒を加熱する排熱回収機構部と、
   前記エンジンの軸動力により電力負荷へ供給される電力を発電する発電機構部とを備えたコージェネレーションシステムの制御方法であって、
   前記発電機構部を、
   前記電力負荷に接続された一次巻線を備える固定子と、二次巻線を備え前記エンジンの回転動力で回転する回転子とを有する二次励磁発電機と、前記二次巻線に励磁電流を印加する電力変換機とを備えて構成し、
   前記熱負荷における要求熱量と前記電力負荷における要求電力とから前記エンジンの目標回転速度と目標トルクとを決定する目標値決定処理を実行すると共に、
   前記目標トルクに基づいて前記励磁電流を制御して、前記エンジンのトルクを前記目標トルクに設定する励磁電流制御と、前記目標回転速度に基づいて前記エンジンの出力を制御して、前記エンジンの回転速度を前記目標回転速度に設定する出力制御とを実行するコージェネレーションシステムの制御方法。

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