JP6338250B2 - スターリングエンジン発電制御システム - Google Patents

Description

本発明は、スターリングエンジン発電機の発電を制御するスターリングエンジン発電制御システムに関する。

スターリングエンジン（ＳＥＧ）は、理論的に最高の熱効率を有するカルノーサイクルを実現するエンジンとされており、熱エネルギーを運動エネルギーに変換する効率が最も高い外燃機関といわれている。

しかし、スターリングエンジンの発電状態は、温度や負荷によって大幅に変動する（例えば、非特許文献１と２を参照。）。
このため、非特許文献３に記載のスターリングエンジン発電システムは、安定かつ効率的な発電を継続するために、昇圧型ＡＣ／ＤＣコンバータと降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータを含むコンバータ装置を用い、スターリングエンジンの発電状態に応じてスターリングエンジンの発電電力を変換して負荷に供給する。なお、昇圧型ＡＣ／ＤＣコンバータと降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの制御は、例えばＩＬＱ設計法に基づく電流制御によって実現することができる（例えば、非特許文献４と５を参照。）。

一色尚次、「スターリングエンジンの開発再浮上した夢のエンジン」、株式会社工業調査会、１９８２年． 兵働努、米田裕彦、「スターリングエンジン―その生い立ちと原理―」、株式会社パワー社、２００９年． 神田修太、高見弘、「単相昇圧コンバータを用いた実用型１ＫＷスターリングエンジン発電システム」、平成２６年電気学会全国大会、４−０２１、ｐｐ．３３−３４、２０１４年３月． ＴＡＫＡＯ ＦＵＪＩＩ，"Ａ Ｎｅｗ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｔｈｅ ＬＱ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｖｉｅｗｐｏｉｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ Ｐｒｏｂｌｅｍ"，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ，ｖｏｌ．ＡＣ−３２，ＮＯ．１１，ｐｐ．９９５〜１００４，１９８７． 木村英紀、藤井隆雄、森武宏共著、「ロバスト制御」、コロナ社、１９９４年．

しかしながら、温度や負荷の変動の程度によっては、昇圧型ＡＣ／ＤＣコンバータと降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの制御のみではスターリングエンジン発電機の発電を適切に制御することができない場合がある。

本発明の目的は、温度や負荷の変動が大きい場合でも、スターリングエンジン発電機の発電状態に応じてパワーフローを適切に制御し、安定かつ効率的な発電を継続することができるスターリングエンジン発電制御システムを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明のスターリングエンジン発電制御システムは、
スターリングエンジン発電機と負荷との間に配置されるスターリングエンジン発電制御システムであって、
前記スターリングエンジン発電機の交流出力電圧を昇圧して直流電圧に変換し、当該直流電圧をＤＣリンクに印加する昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータと、
所定の定格電圧のバッテリーと、
前記ＤＣリンクの直流電圧を前記バッテリーの定格電圧に降圧して前記バッテリーに印加する降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記バッテリーの直流電圧を交流電圧に変換し、交流電力を前記負荷に供給するインバータと、
入力される交流電圧を昇圧する変圧器と、
前記変圧器によって昇圧された交流電圧を整流して前記ＤＣリンクに電力を供給する整流器と、
一次的に電力を蓄えて前記ＤＣリンクの直流電圧を維持するキャパシタと、
前記スターリングエンジン発電機の加熱状態、前記負荷および前記バッテリーの状況に応じて前記昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータと前記降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを制御する制御部と、
を備えることを特徴とする。

好ましくは、本発明のスターリングエンジン発電制御システムは、
前記制御部が、
前記スターリングエンジン発電機の出力が前記負荷の電力より大きい場合、前記降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの電流制御によって余剰電力を前記バッテリーへ充電し、
前記スターリングエンジン発電機の出力が小さくて前記負荷の電力を賄えない場合、前記降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの電流制御によって電力の不足分を前記バッテリーの放電電流で補う、
ことを特徴とする。

好ましくは、本発明のスターリングエンジン発電制御システムは、
前記スターリングエンジン発電機の余剰電力を消費するための安定化抵抗を備え、
前記負荷が軽く、かつ前記バッテリーが略満充電状態の場合に、前記制御部が前記安定化抵抗を前記ＤＣリンクに接続する、
ことを特徴とする。

好ましくは、本発明のスターリングエンジン発電制御システムは、
前記変圧器に入力される交流電圧を供給する補助電源を備え、
前記制御部が、
立ち上げ時に、前記補助電源の電圧を前記変圧器で昇圧して整流し、前記キャパシタを予備充電する予備充電モードを実行し、次に
前記スターリングエンジン発電機の起動前において、前記バッテリーの充電量が不足している場合、前記変圧器と前記整流器と前記降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータとを経由して前記補助電源の電力で前記バッテリーを充電するスターリングエンジン発電機起動前のバッテリー予備充電モードを実行し、次に、
発電開始前に前記インバータを介して発電開始電力より大きめの電力を前記負荷へ出力するスターリングエンジン発電機起動前の負荷の供給モードを実行し、次に、
前記ＤＣリンク側が入力であって前記スターリングエンジン発電機側が出力となるインバータ動作を前記昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータに行わせ、前記スターリングエンジン発電機の高温部が発電可能な温度に到達したとき、前記スターリングエンジン発電機への起動電流を徐々に増加させることでソフトスタートを実現し、起動電流を前記スターリングエンジン発電機に供給しても発電が開始しない場合、所定の時間待機したのち当該ソフトスタートを繰り返す発電起動モードを実行し、次に、
前記発電起動モードで前記スターリングエンジン発電機の電圧が設定値以上になったとき、前記昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータの入出力を反転させて前記昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータをインバータ動作からコンバータ動作へ移行させ、前記スターリングエンジン発電機の出力を昇圧して前記ＤＣリンクへ電力を送る発電開始モードを実行することによって、
前記スターリングエンジン発電機の出力と前記負荷の電力がバランスしている通常発電モードを実現し、その後、
前記スターリングエンジン発電機の出力と前記負荷の電力がバランスしている場合、前記通常モード、
前記スターリングエンジン発電機の出力が前記負荷の電力より大きい場合、前記降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの電流制御によって余剰電力を前記バッテリーへ充電するバッテリー充電モード、
前記スターリングエンジン発電機の出力が小さくて前記負荷の電力を賄えない場合、前記降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの電流制御によって電力の不足分を前記バッテリーの放電電流で補うバッテリーによるアシストモード、
前記スターリングエンジン発電機の出力が小さくて前記負荷の電力が大きいか、または前記バッテリーの残量が少ない場合、前記降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流を増加させ、前記ＤＣリンクの直流電圧を低下させることにより、前記補助電源から不足電力に相当する電流を前記ＤＣリンクに流入させて不足電力を補う補助電源によるアシストモードと、
前記負荷が無負荷またはきわめて軽い負荷で前記バッテリーへ充電しても前記スターリングエンジン発電機の発電電力を処理できない場合、前記安定化抵抗を前記ＤＣリンクに接続して前記安定化抵抗で余剰電力を消費させ、前記スターリングエンジン発電機を保護する安定化モード、
を実行する、
ことを特徴とする。

好ましくは、本発明のスターリングエンジン発電制御システムは、
前記インバータの出力が前記変圧器の入力に接続されており、
前記スターリングエンジン発電機の起動前に前記バッテリーを予め充電する充電手段を備え、
前記制御部が、
立ち上げ時に、前記インバータの出力電圧を前記変圧器で昇圧して整流し、前記キャパシタを予備充電する予備充電モードを実行し、次に
前記ＤＣリンク側が入力であって前記スターリングエンジン発電機側が出力となるインバータ動作を前記昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータに行わせ、前記スターリングエンジン発電機の高温部が発電可能な温度に到達したとき、前記スターリングエンジン発電機への起動電流を徐々に増加させることでソフトスタートを実現し、起動電流を前記スターリングエンジン発電機に供給しても発電が開始しない場合、所定の時間待機したのち当該ソフトスタートを繰り返す発電起動モードを実行し、次に、
前記発電起動モードで前記スターリングエンジン発電機の電圧が設定値以上になったとき、前記昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータの入出力を反転させて前記昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータをインバータ動作からコンバータ動作へ移行させ、前記スターリングエンジン発電機の出力を昇圧して前記ＤＣリンクへ電力を送る発電開始モードを実行し、その後、
前記スターリングエンジン発電機の出力が前記負荷の電力より大きい場合、前記降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの電流制御によって余剰電力を前記バッテリーへ充電するバッテリー充電モード、
前記スターリングエンジン発電機の出力が小さくて前記負荷の電力を賄えない場合、前記降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの電流制御によって電力の不足分を前記バッテリーの放電電流で補うバッテリーによるアシストモード、
前記負荷が無負荷またはきわめて軽い負荷で前記バッテリーへ充電しても前記スターリングエンジン発電機の発電電力を処理できない場合、前記安定化抵抗を前記ＤＣリンクに接続して前記安定化抵抗で余剰電力を消費させ、前記スターリングエンジン発電機を保護する安定化モード、
を実行する、
ことを特徴とする。

本発明によれば、温度や負荷の変動が大きい場合でも、スターリングエンジン発電機の発電状態に応じてパワーフローを適切に制御し、スターリングエンジン発電機の安定かつ効率的な発電を継続することができる。

本発明の第１の実施形態に係るスターリングエンジン発電制御システムの構成の一例を示す図である。 第１の実施形態の予備充電モードにおける動作の一例を示す図である。 第１の実施形態のＳＥＧ起動前のバッテリー予備充電モードにおける動作の一例を示す図である。 第１の実施形態のＳＥＧ起動前の負荷の供給モードにおける動作の一例を示す図である。 第１の実施形態の発電起動モードにおける動作の一例を示す図である。 第１の実施形態の発電開始モードにおける動作の一例を示す図である。 第１の実施形態の通常発電モードにおける動作の一例を示す図である。 第１の実施形態のバッテリー充電モードにおける動作の一例を示す図である。 第１の実施形態のバッテリーによるアシストモードにおける動作の一例を示す図である。 第１の実施形態の補助電源によるアシストモードにおける動作の一例を示す図である。 第１の実施形態の安定化モードにおける動作の一例を示す図である。 第１の実施形態に係るスターリングエンジン発電制御システムのモード遷移図（チャート）である。 本発明の第２の実施形態に係るスターリングエンジン発電制御システムの構成の一例を示す図である。 第２の実施形態の予備充電モードにおける動作の一例を示す図である。 第２の実施形態の発電起動モードにおける動作の一例を示す図である。 第２の実施形態の発電開始モードにおける動作の一例を示す図である。 第２の実施形態のバッテリー充電モードにおける動作の一例を示す図である。 第２の実施形態のバッテリーによるアシストモードにおける動作の一例を示す図である。 第２の実施形態の安定化モードにおける動作の一例を示す図である。 第２の実施形態に係るスターリングエンジン発電制御システム２００のモード遷移図（チャート）である。 試作したスターリングエンジン発電システムにおけるフリーピストン型スターリングエンジン発電機の燃焼系とスターリングエンジン発電制御システムの連携を示す図である。 フリーピストン型スターリングエンジン発電機の出力電流と出力電圧を示す図である。図２２(Ａ)は、発電起動時のソフトスタート、図２２(Ｂ)は定常発電状態の様子である。

以下、本発明の実施形態に係るスターリングエンジン発電制御システムについて図面を参照しながら説明する。なお、実施形態を説明する全図において、共通の構成要素には同一の符号を付し、繰り返しの説明を省略する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るスターリングエンジン発電制御システム１００の構成の一例を示す。
スターリングエンジン発電制御システム１００は、フリーピストン型スターリングエンジン発電機（ＳＥＧ）１２０と負荷１３０との間に配置される。スターリングエンジン発電制御システム１００は、フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０で発電された電力を変換して負荷１３０に供給する。
スターリングエンジン発電制御システム１００は、昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータ１０１と、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２と、インバータ１０３と、バッテリー１０４と、補助電源１０５と、変圧器１０６と、整流器１０７と、キャパシタ１０８と、安定化抵抗１０９と、スイッチ１１０と、制御部１１１とを有する。

フリーピストン型スターリングエンジン発電機（ＳＥＧ）１２０とスターリングエンジン発電制御システム１００は、補助電源１０５を有する発電システムである。
昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータ１０１は、フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の交流出力電圧（ＡＣ２３０Ｖ）を昇圧して直流電圧（定格電圧ＤＣ４００Ｖ）に変換し、その直流電圧をＤＣリンクに印加する。
降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２は、ＤＣリンクの直流電圧（ＤＣ４００Ｖ）をバッテリー１０４の定格電圧ＤＣ４８Ｖに降圧してバッテリー１０４に印加する。降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２は、電流制御によって、バッテリー１０４の充放電電流とインバータ１０３の入力電流を制御する。
インバータ１０３は、バッテリー１０４の直流電圧（ＤＣ４８Ｖ）を変換してＡＣ１００Ｖ、５０Ｈｚの正弦波交流電圧を出力する。インバータ１０３の出力する交流電力は、負荷１３０に供給される。
バッテリー１０４は、バッテリー定格１２Ｖの鉛蓄電池４個から構成される。バッテリー１０４の定格電圧は４８Ｖである。
補助電源１０５は、制御部１１１等の各補機に電力を供給するとともに、負荷１３０が重い場合やフリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の発電量が不足するときに電力をアシストする。補助電源１０５は、ＤＣリンクの直流電圧の変動に応じて自動的に必要な電力を補う。

変圧器１０６は、補助電源１０５のＡＣ１００ＶをＡＣ２５０Ｖの交流電圧に昇圧する。
整流器１０７は、変圧器１０６によって昇圧された交流電圧（ＡＣ２５０Ｖ）を整流してＤＣリンクに電力を供給する。
キャパシタ１０８は、一時的に電力を蓄えてＤＣリンクの直流電圧を維持する。
安定化抵抗１０９は、負荷１３０が軽く、かつバッテリー１０４がほぼ満充電状態のとき、スイッチ１１０が閉じられることにより、ＤＣリンクに接続される。このとき、安定化抵抗１０９は、フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の余剰電力を消費する。余剰電力を適切に処理しなければ、フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０が不安定になり最悪の場合破壊に至る。安定化抵抗１０９は余剰電力を消費してフリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の安定化を図るものである。なお、安定化抵抗１０９で発生する熱は温水に変えて利用すればスターリングエンジン発電システム全体の損失を抑制できる。
制御部１１１は、スターリングエンジン発電システム全体の全体シーケンスの管理、および昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータ１０１と降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の制御を担い、さらに外部機器との連携を制御する。制御部１１１は、フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の加熱状態、負荷１３０およびバッテリー１０４の状況に応じて昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータ１０１と降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２と安定化抵抗１０９のＤＣリンクへの接続を制御する。制御部１１１は、ハードウェアで実現してもよいし、例えば、ディジタルシグナルプロセッサとそのプログラムで実現してもよい。

第１の実施形態に係るスターリングエンジン発電制御システム１００の各モードの動作についてそれぞれ図２〜図１１を参照しながら以下に説明する。なお、図２〜図１１および図１４〜図１９の各図において、破線のブロックは、そのブロックで示される各装置や補機が停止していることを意味する。

（ａ）予備充電モード（図２）
昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータ１０１は、その入力電圧（瞬時値）がＤＣリンクの直流電圧を超えると制御不能に陥る。すなわち、フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の出力電圧がＤＣリンクの直流電圧より大きい場合、フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の制御が不能になる。そこで、スターリングエンジン発電制御システム１００の立ち上げ時に、制御部１１１は、補助電源１０５の電圧を変圧器１０６で昇圧して整流し、ＤＣリンクのキャパシタ１０８を予備充電する。図２には示していないが、補助電源１０５のスイッチ投入時の過電流を抑制する突入防止回路が変圧器１０６と整流器１０７の間に挿入されている。なお、制御部１１１やフリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の燃焼系などの各補機が必要とする小さな電力は補助電源１０５より供給する。

（ｂ）ＳＥＧ起動前のバッテリー予備充電モード（図３）
フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の起動前において、バッテリー１０４の充電量が不足している場合、制御部１１１は、変圧器１０６と整流器１０７と降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２とを経由して補助電源１０５の電力で降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２を充電する。また、この経路はバッテリー１０４を充電するために汎用的に使用することができる。

（ｃ）ＳＥＧ起動前の負荷の供給モード(図４）
フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の起動時に発電電力を適切に処理しないとフリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０内にエネルギーが滞留して不安定になる。そこで、制御部１１１は、発電開始前にインバータ１０３を介して発電開始電力より大きめの電力を負荷１３０へ出力する。
なお、負荷１３０が軽い時には後述の安定化モードによって発電電力を安定化抵抗１０９で処理することにより安定した発電を開始することができる。

（ｄ）発電起動モード（図５）
ＤＣリンクからフリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０へ起動電流を供給するために、制御部１１１は、昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータ１０１をインバータ動作にする。このとき、昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータ１０１はＤＣリンク側が入力、フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の側が出力となる。フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の高温部が発電可能な温度に到達したとき、制御部１１１は、フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０への起動電流を３〜５秒かけて徐々に増加させることでソフトスタートを実現する。
起動電流をフリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０に供給しても発電が開始しない場合、制御部１１１は、数秒間待機したのちソフトスタートを繰り返す。この間，十分なヘッド温度にもかかわらずフリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０が起動しないなど異常を検知した場合、制御部１１１は、エラーとしてフリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の燃焼系を停止させ、スターリングエンジン発電制御システム１００も停止させる。

（ｅ）発電開始モード(図６）
図５の発電起動モードでフリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の電圧が設定値以上になったとき、制御部１１１は、昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータ１０１の入出力を反転させて昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータ１０１をインバータ動作からコンバータ動作へ移行させ、フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の出力を昇圧して定格電圧４００ＶのＤＣリンクへ電力を送る。

（ｆ）通常発電モード(図７）
フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の出力と負荷１３０の電力がバランスしているときのモードである。スターリングエンジン発電制御システム１００やフリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の燃焼系の各補機に必要な電力は補助電源１０５から供給される。

（ｇ）バッテリー充電モード(図８）
フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の出力が負荷１３０の電力より大きい場合、制御部１１１は、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の電流制御によって余剰電力をバッテリー１０４へ充電する。

（ｈ）バッテリーによるアシストモード(図９）
フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の出力が小さくて負荷１３０の電力を賄えない場合、制御部１１１は、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の電流制御によって電力の不足分をバッテリー１０４の放電電流で補う。

（ｉ）補助電源によるアシストモード（図１０）
フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の出力が小さくて負荷１３０の電力が大きいか、またはバッテリー１０４の残量が少ない場合、制御部１１１は、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の出力電流を増加させ、ＤＣリンクの直流電圧を低下させる。その結果、補助電源１０５から自動的に不足電力に相当する電流がＤＣリンクに流入して不足電力が補われる。

（ｊ）安定化モード（図１１）
フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の出力を適切に処理しなければフリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０内のエネルギーが滞留してフリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０が不安定になり破壊に至る場合がある。無負荷またはきわめて軽い負荷でバッテリー１０４へ充電してもフリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の発電電力を処理できない場合、制御部１１１は、スイッチ１１０を閉じて安定化抵抗１０９をＤＣリンクに接続し、安定化抵抗１０９で余剰電力を消費させ、フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０を保護する。
なお，エラーによる停止時に、制御部１１１は、常にスイッチ１１０を閉じて安定化抵抗１０９をＤＣリンクに接続し、フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０を安全に停止させる。

図１２は、第１の実施形態に係るスターリングエンジン発電制御システム１００のモード遷移図（チャート）である。
スターリングエンジン発電制御システム１００は、上述した（ａ）〜（ｊ）の各モードから図１２の矢印で示すモードに遷移することができる。図１２は、スターリングエンジン発電制御システム１００がスターリングエンジン特有の性質に従って安全な発電状態を維持し、かつ、スムーズなスターリングエンジン発電制御システム１００の運用を実現するために不可欠なモード間の遷移を示す。

図１３は、本発明の第２の実施形態に係るスターリングエンジン発電制御システム２００の構成の一例を示す図である。
スターリングエンジン発電制御システム２００は、補助電源１０５を有しておらず、インバータ１０３の出力が変圧器１０６の入力に接続されている点が、第１の実施形態に係るスターリングエンジン発電制御システム１００と異なる。また、第２の実施形態は、フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の起動前に、バッテリー１０４を予め充電する充電手段を備える点が第１の実施形態と異なる。なお、バッテリー１０４の予め充電された電力はスターリングエンジン発電機１２０の起動のみ使用される。このため、充電手段として、例えばバッテリー１０４の充電用に太陽電池等を使用した安価で小容量な充電器を別途設置すること等が考えられる。
フリーピストン型スターリングエンジン発電機（ＳＥＧ）１２０とスターリングエンジン発電制御システム２００は、バッテリー１０４による自立発電システムである。スターリングエンジン発電制御システム２００は、バッテリー１０４のみで発電開始して自立運転する。スターリングエンジン発電制御システム２００のシーケンス動作は、スターリングエンジン発電制御システム１００と同様であるが、制御部１１１等の各補機の電力供給およびキャパシタ１０８の予備充電はバッテリー１０４からインバータ１０３を介して行う。

スターリングエンジン発電制御システム２００の各モードの動作についてそれぞれ図１４〜図１９を参照しながら以下に説明する。
（ｋ）予備充電モード（図１４）
スターリングエンジン発電制御システム２００の立ち上げ時に、制御部１１１は、インバータ１０３の出力電圧を変圧器１０６で昇圧して整流し、ＤＣリンクのキャパシタ１０８を予備充電する。なお、制御部１１１やフリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の燃焼系などの各補機が必要とする小さな電力はバッテリー１０４より供給する。

（ｌ）発電起動モード（図１５）
ＤＣリンクからフリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０へ起動電流を供給するために、制御部１１１は、昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータ１０１をインバータ動作にする。このとき、昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータ１０１はＤＣリンク側が入力、フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の側が出力となる。フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の高温部が発電可能な温度に到達したとき、制御部１１１は、フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０への起動電流を３〜５秒かけて徐々に増加させることでソフトスタートを実現する。
起動電流をフリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０に供給しても発電が開始しない場合、制御部１１１は、数秒間待機したのちソフトスタートを繰り返す。この間，十分なヘッド温度にもかかわらずフリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０が起動しないなど異常を検知した場合、制御部１１１は、エラーとしてフリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の燃焼系を停止させ、スターリングエンジン発電制御システム２００も停止させる。

（ｍ）発電開始モード(図１６）
図１５の発電起動モードでフリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の電圧が設定値以上になったとき、制御部１１１は、昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータ１０１の入出力を反転させて昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータ１０１をインバータ動作からコンバータ動作へ移行させ、フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の出力を昇圧して定格電圧４００ＶのＤＣリンクへ電力を送る。

（ｎ）バッテリー充電モード(図１７）
フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の出力が負荷１３０の電力より大きい場合、制御部１１１は、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の電流制御によって余剰電力をバッテリー１０４へ充電する。

（ｏ）バッテリーによるアシストモード(図１８）
フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の出力が小さくて負荷１３０の電力を賄えない場合、制御部１１１は、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の電流制御によって電力の不足分をバッテリー１０４の放電電流で補う。

（ｐ）安定化モード（図１９）
無負荷またはきわめて軽い負荷でバッテリー１０４へ充電してもフリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の発電電力を処理できない場合、制御部１１１は、スイッチ１１０を閉じて安定化抵抗１０９をＤＣリンクに接続し、安定化抵抗１０９で余剰電力を消費させ、フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０を保護する。
なお，エラーによる停止時に、制御部１１１は、常にスイッチ１１０を閉じて安定化抵抗１０９をＤＣリンクに接続し、フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０を安全に停止させる。

図２０は、第２の実施形態に係るスターリングエンジン発電制御システム２００のモード遷移図（チャート）である。
スターリングエンジン発電制御システム２００は、上述した（ｋ）〜（ｐ）の各モードから図２０の矢印で示すモードに遷移することができる。図２０は、スターリングエンジン発電制御システム２００がスターリングエンジン特有の性質に従って安全な発電状態を維持し、かつ、スムーズなスターリングエンジン発電制御システム２００の運用を実現するために不可欠なモード間の遷移を示す。

［実施例］
第１の実施形態に係るスターリングエンジン発電制御システム１００を含むスターリングエンジン発電システムを試作した。このスターリングエンジン発電システムで使用したフリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０（ＳＥＧ、Ｍｉｃｒｏｇｅｎ Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製）と主な装置の仕様は次の通りである。
（１）スターリングエンジン１２０
ＡＣ出力：２３０Ｖ、５０Ｈｚ、１ｋＷ（定格）
（２）昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータ１０１
ＡＣ入力：２５０Ｖｒｍｓ、５Ａｒｍｓ、５０Ｈｚ／６０Ｈｚ
ＤＣ出力：４００Ｖ
（３）降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２
ＤＣ入力：２５０Ｖ〜５００Ｖ
ＤＣ出力：０〜５４Ｖ、２０Ａｍａｘ
（４）インバータ１０３
ＤＣ入力：４８Ｖ（定格）
ＡＣ出力：１００Ｖ、１ｋＷ（定格）

図２１は、試作したスターリングエンジン発電システムにおけるフリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の燃焼系とスターリングエンジン発電制御システム１００の連携を示す。
燃料タンク３０１には、燃料として灯油またはてんぷら油由来のバイオディーゼル燃料が格納される。燃料は燃焼炉３０２に供給されてほぼ完全燃焼し、フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０のヘッドの高温部が加熱される。燃焼後の煙は熱交換器３０３によって冷却されて屋外に排出される。冷却水が、冷却水タンク３０４→フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の低温部→熱交換器３０３→冷却水タンク３０４を循環する。燃焼炉３０２内、フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０のヘッド（高温部２箇所）および熱交換器３０３内の冷却水の水温が温度センサで計測される。水温は、温度表示器３０５で表示される。また、水温はスターリングエンジン発電制御システム１００へ送られ、スターリングエンジン発電システムの制御と異常診断に使用される。

図２２は、フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の出力電流と出力電圧を示す。図２２(Ａ)は、発電起動時のソフトスタート、図２２(Ｂ)は定常発電状態のようすである。
各波形において上がフリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の出力電流、下が出力電圧である。図２２(Ａ)において、電流を徐々に増加させていくとｔ＝４秒で電圧が急激に上昇して安定し、電圧が確立している。電圧と電流のどちらの波形にもオーバーシュートや脈動がないことからソフトスタートが実現できていることがわかる。フリーピストン型スターリングエンジン発電機１２０の起動時の振動音も非常に小さく静寂であった。図２２（Ｂ)では、電圧、電流ともに非常に安定しており、電圧と電流の位相が一致していることから力率１の良好な発電が実現できていることがわかる。

以上説明したように、本発明によれば、温度や負荷の変動が大きい場合でも、スターリングエンジン発電機の発電状態に応じてパワーフローを適切に制御し、スターリングエンジン発電機の安定かつ効率的な発電を継続することができる。
具体的には、スターリングエンジン発電機の出力が負荷の電力より大きい場合、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの電流制御によって余剰電力をバッテリーへ充電することができる。そして、スターリングエンジン発電機の出力が小さくて負荷の電力を賄えない場合、電力の不足分をバッテリーの放電電流で補うことができる。
また、無負荷またはきわめて軽い負荷であって、バッテリーへ充電してもスターリングエンジン発電機の発電電力を処理できない場合、安定化抵抗がＤＣリンクに接続されて余剰電力を消費することにより、スターリングエンジン発電機が保護される。

１００…スターリングエンジン発電制御システム、１０１…昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータ、１０２…降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ、１０３…インバータ、１０４…バッテリー、１０５…補助電源、１０６…変圧器、１０７…整流器、１０８…キャパシタ、１０９…安定化抵抗、１１０…スイッチ、１１１…制御部、１２０…フリーピストン型スターリングエンジン発電機（ＳＥＧ）、１３０…負荷、２００…スターリングエンジン発電制御システム、３０１…燃料タンク、３０２…燃焼炉、３０３…熱交換器、３０４…冷却水タンク、３０５…温度表示器

Claims (5)

1. スターリングエンジン発電機と負荷との間に配置されるスターリングエンジン発電制御システムであって、
   前記スターリングエンジン発電機の交流出力電圧を昇圧して直流電圧に変換し、当該直流電圧をＤＣリンクに印加する昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータと、
   所定の定格電圧のバッテリーと、
   前記ＤＣリンクの直流電圧を前記バッテリーの定格電圧に降圧して前記バッテリーに印加する降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記バッテリーの直流電圧を交流電圧に変換し、交流電力を前記負荷に供給するインバータと、
   入力される交流電圧を昇圧する変圧器と、
   前記変圧器によって昇圧された交流電圧を整流して前記ＤＣリンクに電力を供給する整流器と、
   一時的に電力を蓄えて前記ＤＣリンクの直流電圧を維持するキャパシタと、
   前記スターリングエンジン発電機の加熱状態、前記負荷および前記バッテリーの状況に応じて前記昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータと前記降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを制御する制御部と、
   を備えることを特徴とするスターリングエンジン発電制御システム。
2. 前記制御部が、
   前記スターリングエンジン発電機の出力が前記負荷の電力より大きい場合、前記降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの電流制御によって余剰電力を前記バッテリーへ充電し、
   前記スターリングエンジン発電機の出力が小さくて前記負荷の電力を賄えない場合、前記降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの電流制御によって電力の不足分を前記バッテリーの放電電流で補う、
   ことを特徴とする請求項１に記載のスターリングエンジン発電制御システム。
3. 前記スターリングエンジン発電機の余剰電力を消費するための安定化抵抗を備え、
   前記負荷が軽く、かつ前記バッテリーが略満充電状態の場合に、前記制御部が前記安定化抵抗を前記ＤＣリンクに接続する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のスターリングエンジン発電制御システム。
4. 前記変圧器に入力される交流電圧を供給する補助電源を備え、
   前記制御部が、
   立ち上げ時に、前記補助電源の電圧を前記変圧器で昇圧して整流し、前記キャパシタを予備充電する予備充電モードを実行し、次に
   前記スターリングエンジン発電機の起動前において、前記バッテリーの充電量が不足している場合、前記変圧器と前記整流器と前記降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータとを経由して前記補助電源の電力で前記バッテリーを充電するスターリングエンジン発電機起動前のバッテリー予備充電モードを実行し、次に、
   発電開始前に前記インバータを介して発電開始電力より大きめの電力を前記負荷へ出力するスターリングエンジン発電機起動前の負荷の供給モードを実行し、次に、
   前記ＤＣリンク側が入力であって前記スターリングエンジン発電機側が出力となるインバータ動作を前記昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータに行わせ、前記スターリングエンジン発電機の高温部が発電可能な温度に到達したとき、前記スターリングエンジン発電機への起動電流を徐々に増加させることでソフトスタートを実現し、起動電流を前記スターリングエンジン発電機に供給しても発電が開始しない場合、所定の時間待機したのち当該ソフトスタートを繰り返す発電起動モードを実行し、次に、
   前記発電起動モードで前記スターリングエンジン発電機の電圧が設定値以上になったとき、前記昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータの入出力を反転させて前記昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータをインバータ動作からコンバータ動作へ移行させ、前記スターリングエンジン発電機の出力を昇圧して前記ＤＣリンクへ電力を送る発電開始モードを実行することによって、
   前記スターリングエンジン発電機の出力と前記負荷の電力がバランスしている通常発電モードを実現し、その後、
   前記スターリングエンジン発電機の出力と前記負荷の電力がバランスしている場合、前記通常モード、
   前記スターリングエンジン発電機の出力が前記負荷の電力より大きい場合、前記降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの電流制御によって余剰電力を前記バッテリーへ充電するバッテリー充電モード、
   前記スターリングエンジン発電機の出力が小さくて前記負荷の電力を賄えない場合、前記降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの電流制御によって電力の不足分を前記バッテリーの放電電流で補うバッテリーによるアシストモード、
   前記スターリングエンジン発電機の出力が小さくて前記負荷の電力が大きいか、または前記バッテリーの残量が少ない場合、前記降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流を増加させ、前記ＤＣリンクの直流電圧を低下させることにより、前記補助電源から不足電力に相当する電流を前記ＤＣリンクに流入させて不足電力を補う補助電源によるアシストモードと、
   前記負荷が無負荷またはきわめて軽い負荷で前記バッテリーへ充電しても前記スターリングエンジン発電機の発電電力を処理できない場合、前記安定化抵抗を前記ＤＣリンクに接続して前記安定化抵抗で余剰電力を消費させ、前記スターリングエンジン発電機を保護する安定化モード、
   を実行する、
   ことを特徴とする請求項３に記載のスターリングエンジン発電制御システム。
5. 前記インバータの出力が前記変圧器の入力に接続されており、
   前記スターリングエンジン発電機の起動前に前記バッテリーを予め充電する充電手段を備え、
   前記制御部が、
   立ち上げ時に、前記インバータの出力電圧を前記変圧器で昇圧して整流し、前記キャパシタを予備充電する予備充電モードを実行し、次に
   前記ＤＣリンク側が入力であって前記スターリングエンジン発電機側が出力となるインバータ動作を前記昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータに行わせ、前記スターリングエンジン発電機の高温部が発電可能な温度に到達したとき、前記スターリングエンジン発電機への起動電流を徐々に増加させることでソフトスタートを実現し、起動電流を前記スターリングエンジン発電機に供給しても発電が開始しない場合、所定の時間待機したのち当該ソフトスタートを繰り返す発電起動モードを実行し、次に、
   前記発電起動モードで前記スターリングエンジン発電機の電圧が設定値以上になったとき、前記昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータの入出力を反転させて前記昇圧型ＡＣ−ＤＣコンバータをインバータ動作からコンバータ動作へ移行させ、前記スターリングエンジン発電機の出力を昇圧して前記ＤＣリンクへ電力を送る発電開始モードを実行し、その後、
   前記スターリングエンジン発電機の出力が前記負荷の電力より大きい場合、前記降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの電流制御によって余剰電力を前記バッテリーへ充電するバッテリー充電モード、
   前記スターリングエンジン発電機の出力が小さくて前記負荷の電力を賄えない場合、前記降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの電流制御によって電力の不足分を前記バッテリーの放電電流で補うバッテリーによるアシストモード、
   前記負荷が無負荷またはきわめて軽い負荷で前記バッテリーへ充電しても前記スターリングエンジン発電機の発電電力を処理できない場合、前記安定化抵抗を前記ＤＣリンクに接続して前記安定化抵抗で余剰電力を消費させ、前記スターリングエンジン発電機を保護する安定化モード、
   を実行する、
   ことを特徴とする請求項３に記載のスターリングエンジン発電制御システム。

Images