JP6993824B2 - 発電システム及びそれに用いる回転電機組立体、運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、発電機と蓄電池及びパワーコンディショナーを組み合わせ再生可能エネルギーを利用した発電システムを構築する技術に関する。

一般に、未利用の水の位置エネルギー等再生可能エネルギーを発電機で回収し、系統に接続せずに発電した電力を負荷へ供給する自立運転システムの場合、安定した発電を継続する為には、発電した電力と自立負荷で消費する電力を常時バランスさせる必要がある。

自立負荷の電力変動に対応する為には、再生可能エネルギーの入力制御や発電機の制御により対処するが、急峻な電力変動に対しては制御の応答が間に合わないという問題がある。この問題に対して、直流バス部に蓄電池を設け、急峻な負荷変動に対応する方法がある。

本技術分野における先行技術文献として特許文献１がある。特許文献１では、上位制御部により蓄電池の蓄電状態を管理して、一定電力を供給するディーゼル発電機と電力変動応答用のディーゼル発電機及び負荷へ出力を供給するＤＣ/ＡＣインバータに対して各機器を最適制御する方法が提案されている。

特開２０１５－５６９４２号公報

特許文献１では、発電システムへの入力となる再生可能エネルギーの入力変動と発電システムの出力となる自立負荷の急峻な電力変動、さらにその変動を吸収する蓄電池の充放電管理をすべて満たす制御が必要となり、各種のセンサと制御装置によってこれら機能を実現するため、装置が複雑になるという課題がある。

本発明の目的は、再生可能エネルギーを利用した、発電機と蓄電池及びパワーコンディショナーを組み合わせた発電システムを対象とし、簡単な構成で、入力変動と負荷の急峻な電力変動、さらにその変動を吸収する蓄電池の充放電管理を実現する発電システム及びそれに用いる回転電機組立体、運転方法を実現することにある。

本発明は、上記背景技術に鑑み、その一例を挙げるならば、永久磁石式同期発電機と該永久磁石式同期発電機を制御するインバータと発電コントローラを搭載した回転電機組立体を用い、入力エネルギーによる軸動力を回転電機組立体で発電して得た直流電力を直流ケーブル部を介してパワーコンディショナーに入力して自立負荷に電力を供給するとともに、直流ケーブル部に蓄電池を設けた発電システムにおいて、回転電機組立体の発電コントローラが直流ケーブル部の電圧を管理して、直流電圧に基づく発電量制御の目標直流電圧値を蓄電池の充電電圧未満とし、かつパワーコンディショナーに対する自立負荷への電力出力許可信号を蓄電池の放電終止電圧以上で出力不許可とする機能を搭載した。

本発明によれば、簡単な構成で、再生可能エネルギーの入力変動と負荷の急峻な電力変動、さらにその変動を吸収する蓄電池の充放電管理を実現する発電システム及びそれに用いる回転電機組立体、運転方法を実現することができる。

実施例１における回転電機組立体を用いた自立運転発電システムの構成図である。 実施例１における回転電機組立体の外観図である。 実施例１における発電コントローラの機能ブロック図である。 実施例１における発電コントローラの発電量制御特性である。 実施例１における自立発電システムの直流電圧と発電電力、入力エネルギー及び自立負荷の消費電力の関係を示すタイムチャートである。 実施例１における自立発電システムの直流電圧と発電電力、入力エネルギー及び自立負荷の消費電力の関係を示すタイムチャートの他の例である。 実施例２における回転電機組立体を用いた系統連系発電システムの構成図である。 実施例２における系統連系発電システムの直流電圧と発電電力、入力エネルギー及び自立負荷の消費電力の関係を示すタイムチャートである。 実施例３における複数の回転電機組立体を用いた自立運転発電システムの構成図である。 実施例３における複数の回転電機組立体を用いた発電システムの直流電圧と合計発電電力の関係を示す図である。 実施例４における複数の回転電機組立体を用いた系統連系発電システムの構成図である。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

図１に本実施例における回転電機組立体を用いた自立運転発電システムの構成図を示す。図１において、再生可能エネルギーなどを基に水車等の動力変換機械を用いて軸動力に変換され発電に利用される入力エネルギーＰ_ＩＮが回転電機組立体１に入力される。入力エネルギーＰ_ＩＮは回転電機組立体1の永久磁石式同期発電機４を駆動する。永久磁石式同期発電機４はインバータ５で発電コントローラ６により発電制御されることによって直流電力を発生し直流部である直流ケーブル部８で自立運転機能付のパワーコンディショナー２へ電力を供給する。自立運転機能付のパワーコンディショナー２は直流電力を商用電源と同等の交流電力に変換して交流受電の自立負荷９へ電力を供給する。本自立運転発電システムは商用電源に接続しない自立運転システムとなっている。

一般に再生可能エネルギーは、制御されたエンジン発電機などと比べると変動が大きい特徴がある。さらに自立運転発電システムの場合は負荷変動が直ちに発電システム全体の動作に影響を及ぼす。この為、この自立運転発電システムにおいては、入力されるエネルギーと自立負荷で消費されるエネルギーがそれぞれ変化、変動する条件下において、発電コントローラ６は発電量を自立負荷の消費電力量に常に合わせる制御を行う必要がある。

具体的には発電コントローラ６に対し直流ケーブル部８の目標直流電圧Ｖ^＊を設定し、発電コントローラ６は常にＶ^＊を維持するようにインバータ５に対して発電電力を制御する。発電電力をＰ_ＧＥＮ、自立負荷による消費電力をＰ_ＬＯＡＤとすれば、Ｐ_ＧＥＮ＞Ｐ_ＬＯＡＤの時に直流電圧は上昇、Ｐ_ＧＥＮ＝Ｐ_ＬＯＡＤなら直流電圧維持、Ｐ_ＧＥＮ＜Ｐ_ＬＯＡＤになると直流電圧は低下する。よって発電コントローラ６は直流電圧をＶ^＊と比較してＰ_ＧＥＮを制御することにより、自立負荷によりＰ_ＬＯＡＤが変動してもＶ^＊を維持することにより、結果として発電電力Ｐ_ＧＥＮと消費電力のバランスを保つ制御となる。

ここで、自立負荷が非常に急峻で、発電コントローラ６による制御の応答が間に合わない場合は、直流ケーブル部８の電圧が短時間急激に上昇または降下する。この変動により直流ケーブル部の電圧が接続された各機器の過電圧又は不足電圧保護の検出閾値に到達すると、発電システムの運転が停止する。

この対策として、直流ケーブル部８に蓄電池３を接続し、発電コントローラ６の制御による遅れによる発電量と消費電力量の差分を吸収させることにより安定した発電システムの運転を可能としている。

蓄電池３及び発電コントローラ６により自立負荷の消費電力の急減又は消滅に対し、最終的に直流ケーブル部８の直流電圧をＶ^＊に維持できるため、継続した発電電力Ｐ_ＧＥＮの余剰は発生しない。

但し、例えば自立負荷を定格使用状態から全停止した場合は、上記の制御により定格発電量Ｐ_Ｇｍａｘは瞬間的に０となる。

これにより永久磁石式同期発電機４は無拘束となり回転数が上昇していく。最終的に回転数は動力変換機械の無拘束回転数に到達するが、安全の為この無拘束回転数で永久磁石式同期発電機４が発生する誘起電圧が直流ケーブル部８に接続されるすべての機器の耐電圧以下となるようあらかじめ配慮するべきである。

なお、発電コントローラ６は、パワーコンディショナー制御線７によってパワーコンディショナー２を制御する。また、蓄電池過放電予告出力１１によって過放電予告表示器１２に過放電予告表示を行なう。

図２は回転電機組立体1の外観図である。永久磁石式同期発電機４の外周面にインバータ５と発電コントローラ６を配置し、水車等の動力変換機械を用いて軸動力に変換された入力エネルギーＰ_ＩＮによって永久磁石式同期発電機４が駆動され、永久磁石式同期発電機４はインバータ５で発電コントローラ６により発電制御されることによって直流電力Ｐ_ＧＥＮを発生する。

図３は、発電コントローラ６の機能ブロックを示した図である。図３において、発電コントローラ６は、永久磁石式同期発電機４によって発電される電力を交流電力に変換する、インバータ５を制御する。このインバータ５の制御はマイクロプロセサである発電機制御マイコン５０により行われる。発電機制御マイコン５０は、永久磁石式同期発電機４の相電流値を検出する電流センサ５８から永久磁石式同期発電機４の相電流を検出する電流検出部５７と、位置・速度推定演算部５６と、インバータ５の直流電圧値を検出するＰＮ電圧検出部５５と、発電電力指令生成部５４と、電圧指令演算部５３と、ｄ／ｑ変換部５２と、ＰＷＭ制御パルス生成部５１を備えている。各構成は、一般的なインバータ制御で知られているので、その詳細な説明は省略する。インバータ５は、半導体スイッチング素子を有しており、永久磁石式同期発電機４によって発電される電力を、半導体スイッチング素子をオン／オフ制御することで交流電力に変換するとともに、その直流電圧を制御し、自立運転機能付のパワーコンディショナー２に供給可能な直流電力に変換する。発電機制御マイコン５０は、その半導体スイッチング素子をオン／オフ制御するためのＰＷＭ制御信号を生成し、インバータ５を制御する。

次に入力エネルギーＰ_ＩＮの変化による発電量の制御方法について説明する。図４に水車等のエネルギー変換機械として一般的なタービンのパワーカーブ２２に基づく発電コントローラ６の発電量制御特性の例を示す。図４において、横軸はエネルギー変換機械の回転数を、縦軸はエネルギー変換機械が回転数に対して発生し得る動力を示している。

発電コントローラ６はエネルギー変換機械の回転数すなわち永久磁石式同期発電機４の回転数に基づきエネルギー変換機械から取り出し得る最大の動力すなわち発電量をインバータ５により永久磁石式同期発電機４から出力するよう制御している。

自立負荷の消費がない状態では、回転電機組立体１は無拘束の回転数Ｎ_４で回転しており、直流ケーブル部８の直流電圧はＶ^＊に発電コントローラ６により維持されている。

入力エネルギーＰ_ＩＮが十分にあり、エネルギー変換機械が定格出力可能な入力がある場合は、自立負荷９の消費電力Ｐ_ＬＯＡＤを０から１００％まで増加していくと、回転電機組立体の回転数はＮ_４からＮ_３に移動し定格の１００％の発電出力を得ることができる。

次に入力エネルギーＰ_ＩＮが定格の７０％しかない場合は、自立負荷９の消費電力Ｐ_ＬＯＡＤを０から増加していくと、回転電機組立体１の回転数はＮ_４からＮ_３を超えて減少していく。自立負荷９が７０％に到達すると図４のパワーカーブ２２上で回転数がＮ_２となる点に移動する。このとき入力エネルギーＰ_ＩＮと自立負荷９の消費電力Ｐ_ＬＯＡＤが釣り合う。尚、自立運転システムなので原則として自立負荷９の消費電力Ｐ_ＬＯＡＤは回転電機組立体１による発電電力Ｐ_ＧＥＮを超えることはできない。

ここでさらに自立負荷９の消費電力Ｐ_ＬＯＡＤを増加させると直流ケーブル部８の直流電圧はＶ^＊から低下していき、最終的に発電システムの不足電圧検出レベルに達すると保護機能によってシステムはトリップ停止する。この対策としては、直流電圧がＶ^＊から低下したらアラームを発報して自立負荷９の削減を促す等の方法がある。

入力エネルギーＰ_ＩＮが定格の７０％の状態のまま、自立負荷９の消費電力Ｐ_ＬＯＡＤを７０％から削減すれば、水車の回転数はＮ_２から上昇していきＮ_２からＮ_４の間のどこかでバランスする。入力エネルギーＰ_ＩＮが定格の３０％しかない場合は、図４のＮ_１まで回転数が低下し取り出し得る最大の発電電力も定格の３０％までとなる。

上記の制御方法により、入力エネルギーＰ_ＩＮが定格に満たない場合でも、水車等のタービンを失速停止させることなく、入力エネルギーＰ_ＩＮに合わせタービンから取り出し得る最大の発電電力Ｐ_ＧＥＮまで自立負荷９に電力を供給することが可能である。

次に、各部の機能とその動作について説明する。図５は、横軸が経過時間であり、直流ケーブル部８の直流電圧Ｖ_ＤＣ、回転電機組立体１の発電電力Ｐ_ＧＥＮ、入力エネルギーＰ_ＩＮと自立負荷の消費電力Ｐ_ＬＯＡＤの推移を示す例である。

尚、実施例で想定した蓄電池の仕様を下記に示す。
鉛蓄電池：定格２４Ｖｄｃ、１４直列（３３６Ｖｄｃ定格）
充電電圧：３８２．２Ｖｄｃ（２．２７５Ｖ／セル ×６×２×１４）
放電終止電圧：２９４．０Ｖｄｃ（１．７５Ｖ／セル ×６×２×１４）

図５において、発電開始前のｔ＝0時点では、直流ケーブル部８の電圧は、蓄電池の放電終止電圧以上の、パワーコンディショナーの自立出力停止電圧である２９５Ｖｄｃとしている。尚、本実施例の回転電機組立体１では直流ケーブル部の電圧が０Ｖであっても入力エネルギーＰ_ＩＮにより回転を開始すれば、搭載する永久磁石式同期発電機４の誘起電圧により発電制御を開始することが可能である。

ｔ＝1で永久磁石式同期発電機４の誘起電圧により直流ケーブル部８の電圧が発電開始電圧に到達すると発電コントローラ６により発電動作が開始されＰ_ＧＥＮが直ちに最大出力となる３ｋＷとなる。
ｔ＝1からｔ＝２にかけて最大発電量で直流ケーブル部８の電圧Ｖ_ＤＣを発電コントローラ６の目標直流電圧である３５０Ｖｄｃまで昇圧させる。ここで、目標直流電圧３５０Ｖｄｃは、蓄電池の充電電圧３８２Ｖｄｃ未満としている。

このとき蓄電池も２９５Ｖｄｃから３５０Ｖｄｃまで充電される。ｔ＝２までの間に直流ケーブル部の電圧がパワーコンディショナーの自立出力許可電圧３２０Ｖｄｃを超えると、発電コントローラ６はパワーコンディショナー２に対してパワーコンディショナー制御線７を介して自律負荷への出力許可を出力する。ｔ＝２で直流ケーブル部８の電圧が目標直流電圧の３５０Ｖｄｃに到達すると、発電コントローラ６は発電量Ｐ_ＧＥＮを最小まで絞り、３５０Ｖｄｃを維持するよう制御して待機する。この状態で自立負荷の消費がゼロなので回転電機組立体の回転数は無拘束回転となる。

ｔ＝３で自立負荷Ｐ_ＬＯＡＤがステップ状に０から１．５ｋＷに増加すると、蓄電池３よりまず放電による電力が供給されるとともに、直流ケーブル部８の電圧が３５０Ｖｄｃから低下する。すると発電コントローラ６が直ちに目標電圧を回復する為に発電動作を開始してＰ_ＧＥＮを増加させる。

ｔ＝３からｔ＝４の間は、Ｐ_ＧＥＮとＰ_ＬＯＡＤが共に１．５ｋＷで釣り合うとともに、直流ケーブル部８の電圧は目標直流電圧値の３５０Ｖｄｃに維持される。

ｔ＝５からｔ＝６にかけて、入力エネルギーＰ_ＩＮが３ｋＷから１．５ｋＷまで徐々に低下していくと、発電コントローラ６は図４のパワーカーブ２２に基づく発電制御を行いＰ_ＧＥＮを１．５ｋＷ相当まで絞っていく。この間自立負荷Ｐ_ＬＯＡＤは３ｋＷの消費を継続している為、不足する電力は蓄電池の放電によって賄われる。この時直流電圧が目標直流電圧の３５０Ｖｄｃから低下するが、発電コントローラ６は入力エネルギーＰ_ＩＮに合わせた発電量制御を実施するので電圧は回復できない。

ｔ＝６で自立負荷Ｐ_ＬＯＡＤが３ｋＷから１．５ｋＷにステップ状に減少すると、Ｐ_ＧＥＮとＰ_ＬＯＡＤが共に１．５ｋＷで釣り合う。この時多少でも入力エネルギーＰ_ＩＮがＰ_ＬＯＡＤよりも大きければ、発電コントローラ６の制御により直流ケーブル部８の電圧は目標直流電圧の３５０Ｖｄｃに徐々に回復していく。厳密にＰ_ＩＮ＝Ｐ_ＬＯＡＤとなる場合は、蓄電池３への回復充電ができないので、直流ケーブル部８の電圧は低下したまま維持される。

ｔ＝７までに入力エネルギーＰ_ＩＮが３ｋＷに回復し、ｔ＝７で自立負荷の消費Ｐ_ＬＯＡＤが再度３ｋＷに増加すると、発電コントローラ６は直ちに発電量Ｐ_ＧＥＮを３ｋＷまで増加させてこれを維持する（ｔ＝７からｔ＝８まで）。

次に、ｔ＝８からｔ＝９にかけて入力エネルギーＰ_ＩＮが３ｋＷから０ｋＷまで低下すると、発電コントローラ６は入力エネルギーＰ_ＩＮに合わせて発電量Ｐ_ＧＥＮをゼロまで減少させていく。この時自立負荷Ｐ_ＬＯＡＤの消費電力は３ｋＷのままなので、不足電力はすべて蓄電池３より供給される。この為直流ケーブル部８の電圧は低下していく。

ｔ＝９で自立負荷の消費Ｐ_ＬＯＡＤ及び入力エネルギーＰ_ＩＮが共に０になると、蓄電池３の充放電もなくなるため直流ケーブル部８の電圧は低い値をそのまま維持する。

ｔ＝１０で再度自立負荷の消費Ｐ_ＬＯＡＤが１．５ｋＷまで上昇、入力エネルギーも徐々に増加する場合、入力エネルギーＰ_ＩＮによる発電Ｐ_ＧＥＮが立ち上がるまでの間は蓄電池３のみの放電により電力を供給する。

発電電力Ｐ_ＧＥＮが自立負荷の消費電力Ｐ_ＬＯＡＤに追いつくと、蓄電池への回復充電となり、直流ケーブル部８の電圧は目標直流電圧の３５０Ｖｄｃへ復帰していく。

以上のように入力エネルギーＰ_ＩＮと自立負荷の消費電力Ｐ_ＬＯＡＤの各々の変動によるアンバランス分を蓄電池３により補充することで安定した負荷への出力が維持できるとともに、蓄電池の回復充電を行うことが可能である。

図６は図５と同様に経過時間とＶ_ＤＣ、Ｐ_ＧＥＮ、Ｐ_ＩＮ、Ｐ_ＬＯＡＤの推移を示す他の例である。図６において、ｔ＝０で入力エネルギーＰ_ＩＮが回転電機組立体に軸動力として入力されると、図５と同様のプロセスでｔ＝3までに直流ケーブル部８の電圧を３５０Ｖｄｃに昇圧して待機状態となる。

ｔ＝３で自立負荷の消費電力Ｐ_ＬＯＡＤをステップ状に３ｋＷまで上昇させると、直ちに蓄電池の放電によりパワーコンディショナー２へ電力が供給されるとともに、直流ケーブル部８の電圧低下により発電コントローラ６が発電動作を開始する。発電動作の立ち上がりにより負荷消費電力Ｐ_ＬＯＡＤと発電電力Ｐ_ＧＥＮが釣り合うと直流ケーブル部８の電圧が目標直流電圧の３５０Ｖｄｃまで復帰する。この時同時に蓄電池３の回復充電が行われる。

ｔ＝４より入力エネルギーＰ_ＩＮが１．５ｋＷまで低下していくと、発電コントローラ６は図４のパワーカーブに基づき入力エネルギーに見合った発電電力Ｐ_ＧＥＮに制御する。負荷消費電力Ｐ_ＬＯＡＤが３ｋＷのままなので、不足する電力は蓄電池３から供給される。この為直流ケーブル部８の電圧は徐々に低下していく。この時直流電圧の低下の傾きは蓄電池３の容量により決まる。Ｐ_ＬＯＡＤ＞Ｐ_ＧＥＮの関係が継続する間は、蓄電池３から継続して放電による電力が供給されるため直流ケーブル部8の電圧Ｖ_ＤＣが低下していく。

ｔ＝６でＶ_ＤＣが、放電終止電圧以上でパワーコンディショナーの自立出力停止電圧２９５Ｖｄｃに達すると、蓄電池３の過放電を防止する為、発電コントローラ６がパワーコンディショナー２に対してパワーコンディショナー制御線７を介して自律負荷への出力を禁止または停止する出力不許可信号を出力する。これによりパワーコンディショナー２は自立負荷９への電力供給を停止する。自立負荷の消費電力Ｐ_ＬＯＡＤがゼロとなるので発電コントローラ６は直流ケーブル部８の電圧Ｖ_ＤＣを目標電圧の３５０Ｖｄｃとするよう発電動作を継続する。

直流ケーブル部８の電圧は発電コントローラ６により目標電圧に維持され、この間に蓄電池３の回復充電が行われる。この時、蓄電池３の充電状態を管理判定する方法としては、充電時間によるもの、直流電圧値によるもの、または発電コントローラ６による充電電力の積算などにより充電電力量を推定する方法がある。これらにより発電コントローラ６が蓄電池３の回復充電が完了したと判断すると、パワーコンディショナー２に対してパワーコンディショナー制御線７を介して自立負荷への出力を許可する信号を出力する。

次に、蓄電池３の過放電を防止する為にパワーコンディショナー２の出力を停止させる前に過放電予告信号を用いる場合について説明する。

ｔ＝８で再度自立負荷の消費電力Ｐ_ＬＯＡＤが1.5ｋＷとなり発電電力Ｐ_ＧＥＮと釣り合って発電している状態とした後、ｔ＝１０で自立負荷のＰ_ＬＯＡＤのみを３ｋＷに増加させる。Ｐ_ＬＯＡＤ＞Ｐ_ＧＥＮとなるため蓄電池３の放電と合わせてパワーコンディショナー２へ３ｋＷ相当の電力が供給されるため、直流ケーブル部８の電圧Ｖ_ＤＣが先程と同じ傾きで低下していく。ここで、パワーコンディショナーへの出力不許可信号を出力する電圧２９５Ｖｄｃに到達する前に、発電コントローラ６に蓄電池３の過放電予告として、直流電圧Ｖ_ＤＣが閾値（Ｖ_ＡＬ）に到達すると、自立負荷に対して、蓄電池過放電のアラームを出力させる。具体的には、警告灯やブザー等自立負荷を消費する対象者に対して警告を発する手段を用いればよい。

図６のｔ＝１１でアラームが発報され、自立負荷を３ｋＷから１．５ｋＷに直ちに削減したことにより、ｔ＝１２までに直流電圧が回復して１．５ｋＷの発電運転状態となっている。

上記の構成とすることにより、入力エネルギーＰ_ＩＮが変動しても自立負荷への電力供給を安定して継続することが可能となる。

また、本実施例の応用としては蓄電池３とパワーコンディショナー２の容量を入力エネルギーＰ_ＩＮに対して数倍の容量とすることにより、例えば入力エネルギーＰ_ＩＮが３ｋＷの２４時間連続入力可能な場合、自立負荷の消費電力Ｐ_ＬＯＡＤを１２時間のみ５ｋＷ（発電３ｋＷ＆放電２ｋＷ）、残り１２時間を１ｋＷ（発電３ｋＷ＆充電２ｋＷ＆出力１ｋＷ）の連続出力とするなど、２４時間の合計で発電量と負荷消費量が釣り合えばよい。

このように、蓄電池の容量及びパワーコンディショナーの出力容量を回転電機組立体の発電容量よりも大きくすることで、短時間の発電能力以上の大電力出力を可能としたシステムとすることもできる。

以上のように、本実施例は、回転電機組立体は内蔵する発電機を制御する発電コントローラに直流ケーブル部の直流電圧値に対する制御目標値を設定し、発電運転中は常に直流ケーブル部の電圧を目標値に維持するよう発電機の発電電力を制御する。また同時に変化する入力動力に対応して動力変換機械の効率を考慮した最適な発電量制御も行う。さらに入力及び出力の急峻な変動に対応するために直流ケーブル部に蓄電池を設け、回転電機組立体が、直流電圧を監視するとともに、蓄電池の放電によって直流ケーブル部の電圧が閾値に達すると自立負荷へ電力を供給するパワーコンディショナーに対して出力を停止させることにより、蓄電池の過放電を防止して回復充電を行う。直流ケーブル部の電圧は回転電機組立体の目標電圧を上限に制限されるため、蓄電池の充電電圧をこの目標電圧とし、また放電制限電圧を回転電機組立体に閾値として設定することにより、蓄電池の健全な充放電管理を可能とする。

これにより、再生可能エネルギーの入力制御や余剰電力の消費手段、各種の検出器類や上位制御コントローラを設けずに、入力エネルギー及び消費電力の緩急の変動に柔軟に対応しつつ、接続された蓄電池の充放電管理を回転電機組立体自身が実行可能とすることにより最小の機器構成で系統連系及び自立運転が可能な分散電源の小規模発電システムを提供することが可能となる。なお、回転電機組立体は、再生可能エネルギーの動力変換機械として水車、風車、タービン等との組み合わせが可能である。

図７に本実施例における回転電機組立体を用いた系統連系発電システムを示す。図７において、図１と共通する部分については同じ符号を付し、その説明を省略する。

図７において、回転電機組立体１で発電された電力Ｐ_ＧＥＮは系統連系機能搭載のパワーコンディショナー２へ供給され、商用電源系統１０へ逆潮流される。この系統連系システムではパワーコンディショナー２は逆潮流状態で直流ケーブル部８の直流電圧Ｖ_ＤＣをあらかじめ設定した電圧に維持する直流電圧一定制御仕様となっている。本説明では、この直流電圧一定制御仕様の設定電圧を３２０Ｖｄｃとする。

発電コントローラ６は図１の自立運転システムと同様、入力エネルギーＰ_ＩＮに対して図４のパワーカーブに基づく発電制御を行うと同時に直流ケーブル部８の目標電圧設定維持する機能も同様に搭載している。

永久磁石式同期発電機４はインバータ５で発電コントローラ６により発電制御されることによって直流電力を発生し直流ケーブル部８で系統連系機能付のパワーコンディショナー２へ電力を供給する。パワーコンディショナー２は直流電力を系統に同期した交流電力に変換して系統電源１０へ電力を逆潮流する。

以下、図８により各部の機能とその動作について説明する。図８は、図５と同じく、横軸の経過時間と直流ケーブル部８の電圧Ｖ_ＤＣ、回転電機組立体１の発電電力Ｐ_ＧＥＮ、入力エネルギーＰ_ＩＮと自立負荷の消費電力Ｐ_ＬＯＡＤの推移を示す。尚、本実施例で想定した蓄電池の仕様は実施例１と同様である。

発電開始前のｔ＝０時点では直流ケーブル部８の電圧は蓄電池の放電終止電圧相当の２９５Ｖｄｃとしている。尚、本実施例の回転電機組立体１では直流部の電圧が０Ｖであっても入力エネルギーＰ_ＩＮにより回転を開始すれば、搭載する永久磁石式同期発電機４の誘起電圧により発電制御を開始することが可能である。

ｔ＝０で入力エネルギーＰ_ＩＮが回転電機組立体１に軸動力として与えられると、内蔵する永久磁石式同期発電機４は無拘束で回転を開始する。この時の誘起電圧によって、直流ケーブル部８の直流電圧Ｖ_ＤＣが上昇するとともに蓄電池３も充電される。

ｔ＝１で直流電圧Ｖ_ＤＣが３００Ｖｄｃに達すると、直流ケーブル部８を介してパワーコンディショナー２にも電圧が印加される。パワーコンディショナー２は入力される直流電圧Ｖ_ＤＣが連系動作可能電圧の３００Ｖｄｃを超え、かつ発電コントローラ６からのパワーコンディショナー制御線７を介した連系許可信号が連系許可の時、内部のタイマを起動させて系統連系の準備動作を開始する。一方、発電コントローラ６も永久磁石式同期発電機４の誘起電圧により直流ケーブル部８の電圧Ｖ_ＤＣが３００Ｖｄｃになると、発電動作を開始して、直流ケーブル部８の電圧Ｖ_ＤＣを目標電圧値３５０Ｖｄｃに昇圧させる。この時も蓄電池３に対する充電が行われる。

ｔ＝２で直流電圧Ｖ_ＤＣが３５０Ｖｄｃに到達すると、発電コントローラ６は発電量Ｐ_ＧＥＮを絞りこの電圧を維持する。

ｔ＝３でパワーコンディショナー２のタイマがタイムアップして系統連系動作が開始され系統電源１０への逆潮流が開始される。これにより直流ケーブル部８の電圧Ｖ_ＤＣが３５０Ｖｄｃより降下していく。この時発電コントローラ６は目標電圧の３５０Ｖｄｃに復帰させようとして、発電出力Ｐ_ＧＥＮを増加させていく。

一方でパワーコンディショナー2は、直流ケーブル部８の電圧Ｖｄｃが設定された直流電圧一定制御の設定電圧３２０Ｖｄｃになるまで逆潮流の電力を増加させていき、最終的に直流電圧Ｖ_ＤＣを３２０Ｖｄｃに維持する（ｔ＝４からｔ＝５）。

ｔ＝４より定格の３ｋＷ発電を維持している状態で、ｔ＝５に系統異常の検出などでパワーコンディショナー２が逆潮流を停止してＰ_ＬＯＡＤが瞬間的にゼロになると、発電電力
Ｐ_ＧＥＮは蓄電池３を充電しながら直流電圧Ｖ_ＤＣを急激に上昇させていく。

発電コントローラ６は直流電圧Ｖ_ＤＣが目標電圧の３５０Ｖｄｃに達すると、この電圧を維持する為発電出力Ｐ_ＧＥＮを抑制する。このとき逆潮流は停止しているためＰ_ＧＥＮはほぼゼロとなる。直流電圧Ｖ_ＤＣは発電コントローラ６により目標電圧３５０Ｖｄｃを維持するよう制御され、かつ制御動作の遅れは蓄電池３の充電で吸収されるため、逆潮流が瞬間的に停止しても直流部の電圧が異常に上昇して保護機能が働くなど発電システムが停止することはなく、待機状態へ遷移することが可能である。

ｔ＝６で再度逆潮流が再開されるとパワーコンディショナー２によって直流電圧が３２０Ｖｄｃまで降下するとともに、発電コントローラ６が発電出力Ｐ_ＧＥＮを増加させていき定格の発電状態（ｔ＝7～8）となる。

ｔ＝８で入力エネルギーＰＩＮの減少がはじまりｔ＝９でゼロまで低下するとき、発電コントローラ６は図４のパワーカーブに基づき発電電力Ｐ_ＧＥＮを抑制し、最終的にはゼロまで低下させる。この時、蓄電池３が放電により不足する電力を供給するため、パワーコンディショナー２の直流電圧一定制御による逆潮流の抑制と合わせしばらくの間、直流電圧Ｖ_ＤＣは３２０Ｖｄｃを維持する。

ｔ＝９で発電電力Ｐ_ＧＥＮがゼロとなり、パワーコンディショナー２の制御でも直流電圧が３２０Ｖｄｃを維持できなくなると、パワーコンディショナー２の制御により、直流電圧Ｖ_ＤＣが急激に低下していく（ｔ＝９～10）。

ｔ＝１０で直流電圧Ｖ_ＤＣが２９５Ｖｄｃに到達すると、蓄電池の過放電を防止する為、発電コントローラ６よりパワーコンディショナー２に対してパワーコンディショナー制御線７を介して連系禁止の信号を出力して逆潮流を停止させる。これにより蓄電池３は放電終止電圧２９４Ｖｄｃとなることなく、放電を停止させることができる。

この後再度入力エネルギーＰ_ＩＮが回復した場合の動作は図８のｔ＝０からと同様となる。

補足の効果として、この系統連系システムでは、ほとんどの運転時間を占める系統連系運転中は、パワーコンディショナー2により直流部の電圧、つまり蓄電池３の電圧は３２０Ｖｄｃを維持する。蓄電池の仕様が前述のものとすれば、３２０Ｖｄｃは放電終止電圧（２９４．０Ｖｄｃ）以上でかつ充電電圧（３８２．２Ｖｄｃ）の８３．７％となる。蓄電池３は電圧を抑制したフロート充電状態で維持されるため寿命を最大限に引き出すことが可能である。そのため、災害時等に自立運転に切り替えて使用する場合などに備え、蓄電池を長期間維持する必要がある場合などに有効である。

図９は、本実施例における複数の回転電機組立体による自立運転発電システムの構成図である。図１と同じ機能は同じ符号を付し、その説明を省略する。図９は、図１の回転電機組立体を３台並列に接続した複数台の発電機による自立運転システムを示している。

図９において、各々の発電コントローラ１０６、２０６、３０６はそれぞれ独立して自律的にそれぞれの永久磁石式同期発電機を制御している。制御は図１のシステムと同様、それぞれのタービンの特性を示すパワーカーブに基づき入力エネルギーＰ_{ＩＮ１，２，３}に合わせた最適発電制御を実施する。

各回転電機組立体で発電した直流電力Ｐ_{ＧＥＮ１，２，３}は一つの直流ケーブル部８に接続されており、自立運転機能を持つパワーコンディショナー２へまとめて供給される。

また、直流ケーブル部８には入力エネルギーＰ_{ＩＮ１，２，３}及び自立負荷Ｐ_ＬＯＡＤの変動による発電電力と負荷消費電力のアンバランス分を吸収する目的で蓄電池３が接続されている各々の発電コントローラに対して設定する目標電圧は同一値としてもよく、差を設けて設定してもよい。差を設けた場合は最も高いものが稼働率も一番高くなる。優先して発電を行いたい場合などは目標電圧を他よりも高く設定することで優先順位の設定が可能である。

図１０に直流部の電圧Ｖ_ＤＣと各発電コントローラの目標電圧値Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３及び各々の発電電力Ｐ_ＧＥＮ１，Ｐ_ＧＥＮ２，Ｐ_ＧＥＮ３の関係を示す。

なお、目標電圧値Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３の内、最も高い目標電圧が直流ケーブル部８の上限電圧となるので、その値は蓄電池の充電電圧以下とする必要がある。さらにそれぞれの発電コントローラに設定する蓄電池の過放電防止のためのパワーコンディショナー２への出力禁止の電圧Ｖ_ＤＣ閾値は、蓄電池の放電終止電圧値以上の値に設定する必要がある。

図９に示すように、それぞれの発電コントローラからのパワーコンディショナー制御線７を介した出力禁止信号は論理和をとってパワーコンディショナー２へ入力することにより、不特定台数の回転電機組立体による並列発電運転が可能である。

このシステムでは回転電機組立体の台数及び容量また、入力エネルギーの種類についての制限はなく、それぞれが独立したシステムとして構成可能であれば、それらをそのまま接続した並列運転システムの構築が可能である。

また、蓄電池３の容量にも特に制限はなく、直流部の電圧と充電電圧及び放電終止電圧の前述の関係が満たされていればよい。

また、蓄電池の容量及びパワーコンディショナーの出力容量を回転電機組立体の発電容量の合計よりも大きくすることで、短時間の発電能力以上の大電力出力を可能とした発電システムとすることが出来る。

以上のように、本実施例は、複数台の回転電機組立体を用いた発電システムであって、それぞれの発電コントローラに設定する目標直流電圧値に差を設けて自律的な台数運転を実現するとともに、パワーコンディショナーへの出力停止信号はそれらの論理和を入力することにより不特定多数の台数並列運転をも可能とする。

図１１は、本実施例における複数の回転電機組立体による系統連系発電システムの構成図である。図７と同じ機能は同じ符号を付し、その説明を省略する。図１１は、図７の回転電機組立体を３台並列に接続した複数台の発電機による系統連系発電システムを示している。

図１１において、系統連系機能と直流電圧一定制御機能を搭載したパワーコンディショナー２を介して、それぞれの回転電機組立体で発電した電力を系統電源１０へ逆潮流することが可能である。

各発電コントローラに設定する直流電圧の目標値及び蓄電池過放電防止のための直流電圧閾値の設定も実施例３と同様である。

但し、系統連系システムの場合は、直流ケーブル部８の電圧Ｖ_ＤＣをパワーコンディショナー２が直流電圧一定制御の設定値に常時制御する為、直流電圧目標値に差を設けることで、発電の優先順位を設定することはできない。

但し、各発電コントローラの目標値に差を設けても、系統連系運転には支障がないため、例えば災害時などに自立運転システムに切り替える場合などには有効である。

以上、実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、回転電機組立体の代わりに汎用の永久磁石式同期発電機とこれを駆動するシーケンス制御機能付き汎用インバータで構成してもよい。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。

１，１０１，２０１，３０１：回転電機組立体、２：パワーコンディショナー、３：蓄電池、４：永久磁石式同期発電機、５：インバータ、６,１０６，２０６，３０６：発電コントローラ、７：パワーコンディショナー制御線、８：直流ケーブル部、９：自立運転負荷、１０：系統電源、１１：蓄電池過放電予告出力、１２：過放電予告表示器、４０：直流ケーブル部の電圧、４１…合計発電電力、５０：発電機制御マイコン

Claims (10)

1. 永久磁石式同期発電機と該永久磁石式同期発電機を制御するインバータと発電コントローラを搭載した回転電機組立体を用い、入力エネルギーによる軸動力を前記回転電機組立体で発電して得た直流電力を直流ケーブル部を介してパワーコンディショナーに入力して自立負荷に電力を供給するとともに、前記直流ケーブル部に蓄電池を設けた発電システムにおいて、
   前記回転電機組立体の前記発電コントローラが、前記直流ケーブル部の電圧を直流電圧に基づく発電量制御の目標直流電圧値と比較して前記直流電力を制御し、前記目標直流電圧値は前記蓄電池の充電電圧未満とし、
   前記自立負荷の消費がゼロの状態で、前記直流ケーブル部の電圧が前記目標直流電圧値に達すると、前記回転電機組立体での発電量を最小まで絞り、前記目標直流電圧値を維持するよう制御し、
   かつ前記直流ケーブル部の電圧が前記蓄電池の放電終止電圧以上の、前記パワーコンディショナーの自立出力停止電圧に達すると、前記パワーコンディショナーに対する自立負荷への電力出力許可信号を出力不許可とする機能を搭載したことを特徴とする発電システム。
2. 請求項１に記載の発電システムであって、
   前記回転電機組立体を複数用い、それぞれで発電した直流電力を一つの前記直流ケーブル部へ接続し、
   前記回転電機組立体から各々出力される複数の電力出力許可信号の論理和を前記パワーコンディショナーへ入力することを特徴とする発電システム。
3. 永久磁石式同期発電機と該永久磁石式同期発電機を制御するインバータと発電コントローラを搭載した回転電機組立体を用い、入力エネルギーによる軸動力を前記回転電機組立体で発電して得た直流電力を直流ケーブル部を介してパワーコンディショナーに入力して系統電源に電力を逆潮流するとともに、前記直流ケーブル部に蓄電池を設けた発電システムにおいて、
   前記回転電機組立体の前記発電コントローラが、前記直流ケーブル部の電圧を直流電圧に基づく発電量制御の目標直流電圧値と比較して前記直流電力を制御し、前記目標直流電圧値は前記蓄電池の充電電圧未満とし、
   前記系統電源への逆潮流の電力がゼロの状態で、前記直流ケーブル部の電圧が前記目標直流電圧値に達すると、前記回転電機組立体での発電量を最小まで絞り、前記目標直流電圧値を維持するよう制御し、
   かつ前記直流ケーブル部の電圧が前記蓄電池の放電終止電圧以上の、前記パワーコンディショナーの自立出力停止電圧に達すると、前記パワーコンディショナーに対する系統電源への電力出力許可信号を出力不許可とする機能を搭載したことを特徴とする発電システム。
4. 請求項３に記載の発電システムであって、
   前記回転電機組立体を複数用い、それぞれで発電した直流電力を一つの前記直流ケーブル部へ接続し、
   前記回転電機組立体から各々出力される複数の電力出力許可信号の論理和を前記パワーコンディショナーへ入力することを特徴とする発電システム。
5. 永久磁石式同期発電機と該永久磁石式同期発電機を制御するインバータと発電コントローラを搭載した回転電機組立体を用い、入力エネルギーによる軸動力を前記回転電機組立体で発電して得た直流電力を直流ケーブル部を介してパワーコンディショナーに入力して自立負荷に電力を供給するとともに、前記直流ケーブル部に蓄電池を設けた発電システムにおける回転電機組立体であって、
   前記発電コントローラが、前記直流ケーブル部の電圧を直流電圧に基づく発電量制御の目標直流電圧値と比較して前記直流電力を制御し、前記目標直流電圧値は前記蓄電池の充電電圧未満とし、
   前記自立負荷の消費がゼロの状態で、前記直流ケーブル部の電圧が前記目標直流電圧値に達すると、前記回転電機組立体での発電量を最小まで絞り、前記目標直流電圧値を維持するよう制御し、
   かつ前記直流ケーブル部の電圧が前記蓄電池の放電終止電圧以上の、前記パワーコンディショナーの自立出力停止電圧に達すると、前記パワーコンディショナーに対する自立負荷への電力出力許可信号を出力不許可とする機能を搭載したことを特徴とする回転電機組立体。
6. 入力エネルギーによる軸動力を回転電機組立体によって直流電力へ変換し直流ケーブル部を介してパワーコンディショナーにより自立負荷に電力を供給するとともに、前記直流ケーブル部に蓄電池を設けた発電システムにおける運転方法であって、
   前記回転電機組立体は永久磁石式同期発電機と該永久磁石式同期発電機を制御するインバータと発電コントローラを搭載しており、
   前記発電コントローラが、前記直流ケーブル部の電圧を直流電圧に基づく発電量制御の目標直流電圧値と比較して前記直流電力を制御し、前記目標直流電圧値は前記蓄電池の充電電圧未満とし、
   前記自立負荷の消費がゼロの状態で、前記直流ケーブル部の電圧が前記目標直流電圧値に達すると、前記回転電機組立体での発電量を最小まで絞り、前記目標直流電圧値を維持するよう制御し、
   かつ前記直流ケーブル部の電圧が前記蓄電池の放電終止電圧以上の、前記パワーコンディショナーの自立出力停止電圧に達すると、前記パワーコンディショナーに対する自立負荷への電力出力許可信号を出力不許可とすることを特徴とする運転方法。
7. 請求項５に記載の回転電機組立体において、
   前記発電コントローラは、前記直流ケーブル部の直流電圧が前記パワーコンディショナーに対する自立負荷への電力出力許可信号を出力不許可とする前記自立出力停止電圧に到達する前に、出力抑制のアラームを出力する機能を搭載したことを特徴とする回転電機組立体。
8. 請求項５に記載の回転電機組立体において、
   前記放電終止電圧に到達以前に前記パワーコンディショナーの電力出力を停止させた後、再度前記パワーコンディショナーに対して電力出力許可信号を出力する条件として、出力禁止後に発電電力を積算することで前記蓄電池の充電電力量を推定し前記蓄電池の回復充電が完了したことを判定する機能を搭載したことを特徴とする回転電機組立体。
9. 請求項１から４の何れか１項に記載の発電システムにおいて、
   前記蓄電池の容量及び前記パワーコンディショナーの出力容量を前記回転電機組立体の発電容量の合計よりも大きくすることで、短時間の発電能力以上の電力出力を可能としたことを特徴とする発電システム。
10. 請求項1から４の何れか１項に記載の発電システムにおいて、
    前記回転電機組立体の代わりに、汎用の永久磁石式同期発電機とこれを駆動するシーケンス制御機能付き汎用インバータを有することを特徴とする発電システム。

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