JP6073162B2 - 発電システム、及び、その発電システムの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、二次励磁発電機と、その二次励磁発電機の回転子を駆動するエンジンとを備えた発電システム、及び、その発電システムの運転方法に関する。

上記のような発電システムでは、例えば、電力系統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る回転子とを有する二次励磁発電機と、交流側が電力系統に接続された第１電力変換機と、交流側が二次巻線に接続された第２電力変換機と、第１電力変換機の直流側と第２電力変換機の直流側とを接続する直流部に接続された蓄電装置と、一次巻線と電力負荷との接続を断続自在な切換部とを備えている（例えば、特許文献１参照。）。そして、エンジン回転速度を目標回転速度の一定回転速度とし、二次励磁発電機の二次巻線に供給する交流の周波数を制御することで、二次励磁発電機の一次巻線から一定周波数（５０〔Ｈｚ〕又は６０〔Ｈｚ〕）の電力を出力しながら、エンジンを効率の面から良好な回転速度で運転させて、発電効率の向上を図るようにしている。

このような発電システムにおいて、特許文献２には下記の点が記載されている。
商用電力系統と系統連系を行なう分散電源用発電システムでは、商用電力系統（電力系統）の事故発生時において、単独運転によって生じる発電電力が商用電力系統へ流入することを防止するため、発電電力系統に設置する遮断器や、単独運転検出装置により、商用電力系統が保護されるようになっている。また、商用電力系統の事故により、単独運転の状況が発生した場合には、商用電力の受電点よりも下流（需要家側）に設置した遮断器により、発電電力系統の商用電力系統からの切り離しが行なわれる。該遮断器は、前記単独運転検出装置による単独運転の検出や、不足電力継電器による商用電力系統の事故の検出結果に基づいて作動するようになっている。

そこで、上記のような発電システムでは、商用電力系統（電力系統）において停電が発生した際、発電システムの単独運転を防止するために、一旦、商用電力系統並びに電力負荷へ接続する点に設置した遮断器により接続を遮断することが考えられる。この時、発電システムでは、電力負荷遮断時にエンジンへの負荷が減少することから、一時的にエンジン回転速度が上昇してしまう。このエンジン回転速度の上昇は、エンジンや発電機の耐久性の面で好ましくない。

この負荷遮断時におけるエンジン回転速度の上昇を抑制するために、燃料ガス配管の各気筒への分岐前にエア駆動のガス回収用シリンダを設け、負荷遮断時には電磁弁を閉弁した後、ガス回収用シリンダ内に残留ガスを吸い込み、燃料圧を減圧して速やかにエンジンを停止させる方法が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。

特開２０１２−１００４７８号公報 特開２００３−２４４８５０号公報 特開平６−１２９３０５号公報

上記特許文献３に記載のシステムでは、負荷遮断時におけるエンジン回転速度の上昇を抑制するために、ガス回収用シリンダを設けなければならず、システム構成の複雑化、大型化やコストアップを招くことになる。

本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、エンジン回転速度の上昇を抑制しながら、電力負荷との接続を遮断することができ、システム構成の簡素化、小型化やコストの低減を図ることができる発電システム、及び、その発電システムの運転方法を提供する点にある。

この目的を達成するために、本発明に係る発電システムの特徴構成は、電力系統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る回転子とを有する二次励磁発電機と、前記回転子を駆動するエンジンと、交流側が前記電力系統に接続された第１電力変換機と、交流側が前記二次巻線に接続された第２電力変換機と、前記第１電力変換機の直流側と前記第２電力変換機の直流側とを接続する直流部に接続された蓄電装置と、前記一次巻線と電力負荷との接続を断続自在な切換部と、運転を制御する運転制御部とを備え、
前記運転制御部は、前記切換部にて前記一次巻線と前記電力負荷とを接続し、目標回転速度にて前記エンジンを駆動させ、前記電力負荷に目標周波数の出力電力を供給する出力電力供給運転と、その出力電力供給運転から前記切換部にて前記一次巻線と前記電力負荷との接続を遮断する負荷遮断運転とを実行可能であり、
前記負荷遮断運転では、前記切換部にて前記一次巻線と前記電力負荷との接続を遮断する負荷遮断制御を行う際に、エンジン回転速度を前記目標回転速度よりも低回転速度の第１回転速度に制御する低回転速度制御を行うように構成されており、
前記運転制御部は、負荷遮断信号生成部にて生成された負荷遮断信号が入力されると、前記低回転速度制御を前記負荷遮断制御よりも優先して行い、エンジン回転速度を前記第１回転速度に低下させた状態で前記負荷遮断制御を行い、前記負荷遮断制御を行った後も前記低回転速度制御を維持するように構成されている点にある。

本特徴構成によれば、負荷遮断運転では、負荷遮断制御を行う際に低回転速度制御を行っているので、電力負荷を遮断した時に、エンジン回転速度が多少上昇するものの、エンジン回転速度が低回転速度である第１回転速度に制御されていることから、エンジン回転速度の上昇が抑えられる。これにより、電力負荷の遮断時におけるエンジン回転速度の上昇を抑制でき、エンジンや発電機にかかる負担を軽減することができる。しかも、負荷遮断運転において運転制御部による制御として、低回転速度制御を追加するだけであるので、特許文献３に記載の如く、ガス回収用シリンダ等の機器を追加することなく、システム構成の簡素化、小型化やコストの低減を図ることができる。

さらに、負荷遮断信号生成部にて負荷遮断信号の入力により、まずは、低回転速度制御を優先して行い、その上で、負荷遮断制御を行うことができる。これにより、負荷遮断制御を行うときには、すでにエンジン回転速度が目標回転速度よりも低回転速度側に低下しているので、エンジン回転速度を極力低回転速度側として、エンジン回転速度の上昇を抑えることができる。しかも、電力負荷を遮断した後も、低回転速度制御が維持されるので、エンジン回転速度の上昇を適切に抑えることができる。

本発明に係る発電システムの更なる特徴構成は、前記運転制御部は、前記負荷遮断運転において、前記負荷遮断制御を行った後、前記低回転速度制御を終了させて、前記目標回転速度以上の回転速度にて前記エンジンを駆動させるようにエンジン回転速度を上昇させる回転速度上昇制御に移行するように構成されている点にある。

本特徴構成によれば、低回転速度制御を行うことで、エンジン回転速度は目標回転速度よりも低下するものの、その低回転速度制御の後に回転速度上昇制御を行うことで、エンジン回転速度を目標回転速度以上の回転速度まで復帰させておくことができる。例えば、一時的に電力負荷を遮断する必要が生じた場合には、負荷遮断運転を行った後、電力負荷に接続することで、再度、出力電力供給運転を行うことが想定される。よって、エンジン回転速度を目標回転速度以上の回転速度まで復帰させておくことで、出力電力供給運転への移行をスムーズに行うことができる。また、例えば、エンジン回転速度を目標回転速度以上の回転速度まで復帰させておくことで、発電システムに備えられた補機等には、目標周波数の出力電力を供給することができる。

本発明に係る発電システムの更なる特徴構成は、前記運転制御部は、前記低回転速度制御中における前記エンジンに供給される混合気の空気比が前記低回転速度制御を行う前の空気比を基準とする設定範囲内となると、前記低回転速度制御を終了して前記回転速度上昇制御に移行するように構成されている点にある。

運転制御部が低回転速度制御を行うことで、例えば、エンジンにおける燃料供給弁の開度を閉じ側に制御することになる。これにより、エンジンの混合気の燃焼状態はリーン燃焼状態（希薄燃焼状態）となって、エンジンの運転が不安定な状態となり易い。このような不安定な状態で、低回転速度制御から回転速度上昇制御への移行を行うと、エンジン回転速度を変更させることになるので、その不安定な状態での運転を助長してしまう可能性がある。そこで、本特徴構成によれば、リーン燃焼状態（希薄燃焼状態）での低回転速度制御から回転速度上昇制御への移行を防止するために、エンジンに供給される混合気の空気比がどのような空気比となっているかによって、低回転速度制御から回転速度上昇制御へ移行するタイミングを設定している。そして、運転制御部は、エンジンに供給される混合気の空気比が低回転速度制御を行う前の空気比に対して安定した領域に回復したことを確認した上で、低回転速度制御から回転速度上昇制御への移行を行い、エンジンの運転が不安定な状態となるのを防止している。

本発明に係る発電システムの更なる特徴構成は、前記運転制御部は、前記回転速度上昇制御において、前記目標回転速度よりも高回転速度の第２回転速度にエンジン回転速度を制御するように構成されている点にある。

本特徴構成によれば、回転速度上昇制御において、エンジン回転速度を第２回転速度に制御しておくことで、再度、出力電力供給運転を行う場合に、電力負荷に接続するに当たり、エンジン回転速度を高回転速度である第２回転速度にしておくことができる。これにより、電力負荷の接続によって、エンジン回転速度が低下するのを防止でき、出力電力の周波数が変動するのを抑制することができる。よって、出力電力供給運転への移行をスムーズに行うことができながら、電力負荷に目標周波数の出力電力を供給することができる。

本発明に係る発電システムの運転方法は、電力系統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る回転子とを有する二次励磁発電機と、前記回転子を駆動するエンジンと、交流側が前記電力系統に接続された第１電力変換機と、交流側が前記二次巻線に接続された第２電力変換機と、前記第１電力変換機の直流側と前記第２電力変換機の直流側とを接続する直流部に接続された蓄電装置と、前記一次巻線と電力負荷との接続を断続自在な切換部とを備えた発電システムにおいて、
前記切換部にて前記一次巻線と前記電力負荷とを接続し、目標回転速度にて前記エンジンを駆動させ、前記電力負荷に目標周波数の出力電力を供給する出力電力供給運転と、その出力電力供給運転から前記切換部にて前記一次巻線と前記電力負荷との接続を遮断する負荷遮断運転とを実行可能であり、
前記負荷遮断運転では、前記切換部にて前記一次巻線と前記電力負荷との接続を遮断する負荷遮断制御を行う際に、エンジン回転速度を前記目標回転速度よりも低回転速度の第１回転速度に制御する低回転速度制御を行い、
負荷遮断信号生成部にて生成された負荷遮断信号が入力されると、前記低回転速度制御を前記負荷遮断制御よりも優先して行い、エンジン回転速度を前記第１回転速度に低下させた状態で前記負荷遮断制御を行い、前記負荷遮断制御を行った後も前記低回転速度制御を維持する点にある。

上述の本発明に係る発電システムと同様に、電力負荷を遮断した時に、エンジン回転速度が多少上昇するものの、エンジン回転速度が第１回転速度に制御されていることから、エンジン回転速度の上昇が抑えられる。これにより、電力負荷の遮断時におけるエンジン回転速度の上昇を抑制でき、エンジンや発電機にかかる負担を軽減することができる。しかも、低回転速度制御を行うという制御動作を追加するだけであるので、特許文献３に記載の如く、ガス回収用シリンダ等の機器を追加することなく、システム構成の簡素化、小型化やコストの低減を図ることができる。
また、負荷遮断信号生成部にて負荷遮断信号の入力により、まずは、低回転速度制御を優先して行い、その上で、負荷遮断制御を行うことができる。これにより、負荷遮断制御を行うときには、すでにエンジン回転速度が目標回転速度よりも低回転速度側に低下しているので、エンジン回転速度を極力低回転速度側として、エンジン回転速度の上昇を抑えることができる。しかも、電力負荷を遮断した後も、低回転速度制御が維持されるので、エンジン回転速度の上昇を適切に抑えることができる。

発電システムの全体構成を示す図 負荷遮断運転における動作を示すフローチャート 負荷遮断運転における出力、エンジン回転速度、制御弁開度、空気比の変化を示すグラフ 第２実施形態での負荷遮断運転における出力、エンジン回転速度、空気比の変化を示すグラフ

本発明に係る発電システムの実施形態を図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
図１に示すように、発電システム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１０１と、エンジン１の作動を制御するエンジン制御部１０２ａと発電機構部１０１の作動を制御する発電機構制御部１０２ｂとを有する運転制御部１０２とを備えている。

（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。また、このエンジン１には、出力軸１ｂの回転速度、すなわちエンジン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の検出情報は運転制御部１０２のエンジン制御部１０２ａに入力させるように構成されている。

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。制御装置７０のエンジン制御部１０２ａは、燃料供給弁１０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、エンジン１の出力を制御して、エンジン１の回転速度を制御目標となる設定回転速度に設定する出力制御を実行する。この出力制御では、エンジン１の回転速度が設定回転速度に対して低下傾向にある場合には、エンジン制御部１０２ａが、燃料供給弁１０の開度を拡大して燃料ガスＧの供給量を増加させる。逆に、エンジン１の回転速度が設定回転速度に対して上昇傾向にある場合には、エンジン制御部１０２ａが、燃料供給弁１０の開度を縮小して燃料ガスＧの供給量を減少させる。

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。エンジン制御部１０２ａは、上述の出力制御において、エンジン１に供給される混合気Ｍの空気比を所定の空気比に調整するように、スロットルバルブ６の開度を制御している。つまり、エンジン制御部１０２ａは、空気比が所定の空気比よりも低い場合に、スロットルバルブ６の開度を拡大し、逆に、空気比が所定の空気比よりも高い場合に、スロットルバルブ６の開度を縮小している。ここで、空気比とは、燃料の燃焼に必要な理論的な空気量と実際に供給する空気量の比（実際の空気量／理論空気量）である。また、空気比については、例えば、排気路４に備えた酸素センサ等のセンサ類からの検出情報に基づいて空気比を求める、あるいは、燃料供給弁１０の開度と給気マニホールドの給気圧力とから空気比を求めることができる。

このように、出力制御では、エンジン制御部１０２ａが、エンジン１の回転速度が設定回転速度になるように燃料供給弁１０の開度を制御するとともに、空気比が所定の空気比になるようにスロットルバルブ６の開度を制御している。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に制御される。

（発電機構部）
発電機構部１０１は、エンジン１の軸動力により電力系統６０や電力負荷６１へ供給される電力を発電するものである。発電機構部１０１は、電力系統６０や電力負荷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とを備えている。

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。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。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ともに、第２スイッチ４２を介して電力系統６０に接続されており、さらに第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、発電機構制御部１０２ｂ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１０１の起動時に必要となる電力を供給自在となっている。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、発電機構制御部１０２ｂ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。

発電機構部１０１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１０１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。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、発電機構制御部１０２ｂ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。

発電システム１００は、運転制御部１０２によりその運転が制御され、第１〜第３スイッチ４１〜４３にて二次励磁発電機２の固定子２ｂ（一次巻線）と電力負荷６１や電力系統６０とを接続し、目標回転速度（例えば、１２００［ｒｐｍ］）にてエンジン１を駆動させ、電力負荷６１や電力系統６０に目標周波数の出力電力を供給する出力電力供給運転を行うようにしている。この出力電力供給運転では、運転制御部１０２におけるエンジン制御部１０２ａが、制御目標となる設定回転速度を目標回転速度（例えば、１２００［ｒｐｍ］）とし、その目標回転速度にてエンジン１を駆動させるように出力制御を行い、運転制御部１０２における発電機構制御部１０２ｂが、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、発電電力の周波数を目標周波数（例えば、５０［Ｈｚ］や６０［Ｈｚ］）に同期させる同期制御を行うようにしている。このような出力制御及び同期制御を行うことで、発電電力を電力系統６０や電力負荷６１の周波数と同じ周波数としており、この状態で、発電機構制御部１０２ｂが、第２、第３スイッチ４２、４３を閉制御することで、二次励磁発電機２の固定子２ｂ（一次巻線）と電力系統６０や電力負荷６１とを接続し、目標周波数（電力系統６０や電力負荷６１の周波数と同じ周波数）の発電電力を電力系統６０や電力負荷６１に供給するようにしている。

この発電システム１００では、運転制御部１０２が、上述の出力電力供給運転から、第２、第３スイッチ４２、４３にて二次励磁発電機２の固定子２ｂ（一次巻線）と電力負荷６１や電力系統６０との接続を遮断する負荷遮断運転を行うように構成されている。この負荷遮断運転は、例えば、商用電力系統（電力系統６０）において停電が発生した際、発電システム１００の単独運転を防止するために、一旦、商用電力系統（電力系統６０）並びに電力負荷６１へ接続する点に設置した遮断器により接続を遮断するための運転である。このように、商用電力系統（電力系統６０）において停電が発生した際の負荷遮断運転では、その停電の発生と同時に、発電機構制御部１０２ｂが、第２スイッチ４２を開制御しており、その後、すぐに、運転制御部１０２が、第３スイッチ４３にて二次励磁発電機２の固定子２ｂ（一次巻線）と電力負荷６１との接続を遮断する負荷遮断運転を開始することになる。以下、この負荷遮断運転の動作について説明する。

図２のフローチャートに基づいて、負荷遮断運転について説明する。
運転制御部１０２は、まず、第３スイッチ４３にて二次励磁発電機２の固定子２ｂ（一次巻線）と電力負荷６１との接続を遮断する負荷遮断制御を行う際に、エンジン回転速度を目標回転速度（例えば、１２００［ｒｐｍ］）よりも低回転速度の第１回転速度（例えば、９００［ｒｐｍ］）に制御する低回転速度制御を行う。つまり、発電機構制御部１０２ｂが負荷遮断制御を行うのと同時に、エンジン制御部１０２ａが低回転速度制御を行っている（ステップ＃１）。負荷遮断制御では、発電機構制御部１０２ｂが、第３スイッチ４３を開制御して、二次励磁発電機２の固定子２ｂ（一次巻線）と電力負荷６１との接続を遮断している。低回転速度制御では、エンジン制御部１０２ａが、制御目標となる設定回転速度を第１回転速度（例えば、９００［ｒｐｍ］）とし、エンジン回転速度を第１回転速度（例えば、９００［ｒｐｍ］）に制御してエンジン１を駆動するように出力制御を行う。

このように、運転制御部１０２は、負荷遮断制御と低回転速度制御を同時に行い、負荷遮断制御を行った後も低回転速度制御を維持するように構成されている（ステップ＃２）。そして、運転制御部１０２は、負荷遮断制御を行った後、低回転速度制御を終了させて、目標回転速度（例えば、１２００［ｒｐｍ］）にてエンジン１を駆動させるようにエンジン回転速度を上昇させる回転速度上昇制御に移行するように構成されている（ステップ＃３）。この回転速度上昇制御では、エンジン制御部１０２ａが、制御目標となる設定回転速度を目標回転速度（例えば、１２００［ｒｐｍ］）とし、エンジン回転速度を目標回転速度（例えば、１２００［ｒｐｍ］）に制御してエンジン１を駆動するように出力制御を行う。この回転速度上昇制御では、二次励磁発電機２の固定子２ｂ（一次巻線）と電力系統６０及び電力負荷６１とは接続されておらず、無負荷状態となっている。

このとき、発電機構制御部１０２ｂは、負荷遮断制御を行った後、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、発電電力の周波数を目標周波数（例えば、５０［Ｈｚ］や６０［Ｈｚ］）に同期させる同期制御を行うようにしている。これにより、例えば、発電システム１００に備えられた補機等に、目標周波数の出力電力を供給できるようになっている。また、このように、運転制御部１０２が回転速度上昇制御にてエンジン回転速度を目標回転速度（例えば、１２００［ｒｐｍ］）に制御しており、発電機構制御部１０２ｂが同期制御を行っていることから、再度、出力電力供給運転を行う際に、その出力電力供給運転への移行をスムーズに行うことができる。

以下、図３に基づいて、上述の負荷遮断運転を行うことで、発電機構部１０１からの出力、エンジン１におけるエンジン回転速度、制御弁開度、空気比がどのように変化するかについて説明する。
図３（ａ）は、発電機構部１０１からの出力の変化を示しており、図３（ｂ）は、エンジン１におけるエンジン回転速度の変化を示しており、図３（ｃ）は、スロットルバルブ６の開度Ｓ１及び燃料供給弁１０の開度Ｓ２である制御弁開度の変化を示しており、図３（ｄ）は、エンジン１に供給される混合気Ｍの空気比の変化を示している。図３（ｂ）において、実際のエンジン回転速度Ｎ１を実線にて示しており、制御目標の設定回転速度となるエンジ回転速度（目標回転速度である１２００〔ｒｐｍ〕又は第１回転速度である９００〔ｒｐｍ〕）Ｎ２を点線にて示している。

また、エンジン回転速度については、図３（ｂ）の一点鎖線Ｎ３にて比較例におけるエンジン回転速度の変化を示している。この比較例では、第３スイッチ４３にて二次励磁発電機２の固定子２ｂ（一次巻線）と電力負荷６１との接続を遮断する際に、低回転速度制御を行わず、エンジン回転速度を目標回転速度（（例えば、１２００［ｒｐｍ］）に維持するように制御したものである。

図３（ａ）に示すように、第３スイッチ４３にて二次励磁発電機２の固定子２ｂ（一次巻線）と電力負荷６１との接続を遮断して、出力を１００％から０％に低下させている。このとき、図３（ｂ）の実線Ｎ１で示すように、この出力低下によりエンジン回転速度が上昇するが、低回転速度制御を行うことで、その上昇量が抑えられている。つまり、図３（ｂ）の一点鎖線で示す比較例Ｎ３では、エンジン回転速度の上昇量が大きく、エンジン１や二次励磁発電機２の耐久性の面で好ましくない。それに対して、低回転速度制御を行うことで、エンジン回転速度の上昇量を抑えることができ、エンジン１や二次励磁発電機２に大きな負担をかけることなく、エンジン１や二次励磁発電機２の耐久性の面で良好なものとなっている。

そして、負荷遮断制御が行われた後も、低回転速度制御を維持することで、エンジン回転速度が第１回転速度である９００〔ｒｐｍ〕に制御されるので、エンジン回転速度が低下していく。その後、低回転速度制御が終了されて回転速度上昇制御に移行され、エンジン回転速度が目標回転速度である１２００〔ｒｐｍ〕に制御されるので、エンジン回転速度が上昇していく。

ここで、低回転速度制御を終了して回転速度上昇制御への移行をどのようなタイミングにて行うかについて説明する。図３（ｂ）に示すように、二次励磁発電機２の固定子２ｂ（一次巻線）と電力負荷６１との接続を遮断すると、エンジン回転速度が上昇するので、エンジン制御部１０２ａは、スロットルバルブ６の開度及び燃料供給弁１０の開度を制御して、エンジン回転速度を第１回転速度である９００〔ｒｐｍ〕に近づけるようにしている。このとき、図３（ｃ）に示すように、スロットルバルブ６の開度Ｓ１に先行して燃料供給弁１０の開度Ｓ２を閉じる側に制御するので、エンジン１の混合気Ｍの燃焼状態はリーン燃焼状態（希薄燃焼状態）となり、エンジン１の運転が不安定な状態となり易い。このような不安定な状態で、制御目標である設定回転速度を変更すると、その不安定な状態での運転を助長してしまうことになる。

そこで、本実施形態では、リーン燃焼状態（希薄燃焼状態）での低回転速度制御から回転速度上昇制御への移行を防止するために、エンジン１に供給される混合気Ｍの空気比がどのような空気比となっているかによって、低回転速度制御から回転速度上昇制御へ移行するタイミングを設定している。即ち、運転制御部１０２が、図３（ｄ）に示すように、低回転速度制御中におけるエンジン１に供給される混合気Ｍの空気比が低回転速度制御を行う前の空気比を基準とする設定範囲Ｈ内となると、低回転速度制御を終了して回転速度上昇制御に移行するように構成されている。図３（ｄ）では、低回転速度制御を行う前の空気比が１．７となっており、その空気比を基準とする設定範囲Ｈを１．７〜１．９の範囲としている。このようにして、運転制御部１０２におけるエンジン制御部１０２ａは、空気比が、低回転速度制御を行う前の空気比に対して安定した領域に回復したことを確認することで、低回転速度制御から回転速度上昇制御への移行を行い、エンジン１の不安定な状態での運転を助長してしまうのを防止している。

このようなタイミングでの移行を行うことで、エンジン回転速度Ｎ１については、図３（ｂ）に示すように、第１回転速度である９００〔ｒｐｍ〕まで低下する前に、回転速度上昇制御に移行されて、エンジン回転速度が上昇することになる。そして、最終的には、目標回転速度である１２００〔ｒｐｍ〕で安定することになる。

ちなみに、制御弁開度、及び、空気比については、エンジン回転速度の制御目標となる設定回転速度が変化するタイミングでも変化することになる。例えば、図３において、低回転速度制御が終了して回転速度上昇制御が開始されるタイミングにて、制御弁開度、及び、空気比が変化することになる。ただし、上述の各種の制御を行うことによる変化に比べて、非常に小さな変化であるので、図３ではこの変化を省略している。

〔第２実施形態〕
上記第１実施形態では、運転制御部１０２が、負荷遮断制御を行うと同時に、低回転速度制御を行うようにしている。この第２実施形態では、これに代えて、運転制御部１０２は、負荷遮断信号生成部１０３にて生成された負荷遮断信号が入力されると、低回転速度制御を負荷遮断制御よりも優先して行い、負荷遮断制御を行った後も低回転速度制御を維持するように構成されている。

発電システム１００において、例えば、各種の異常を検出することで、電力負荷６１との接続を遮断する必要が生じる場合がある。また、例えば、計画停電等、電力系統６０にてどのような時間帯に停電するかを予め把握している場合もある。そこで、このような場合には、負荷遮断運転をどのようなタイミングにて行うかを予め把握できるので、その把握した時点で、図１の点線にて示すように、負荷遮断信号生成部１０３にて負荷遮断信号を生成することができる。そして、負荷遮断信号生成部１０３にて生成された負荷遮断信号は、運転制御部１０２に入力されている。これにより、運転制御部１０２は、負荷遮断信号が入力されると、負荷遮断運転を開始させる。この負荷遮断運転では、まず、低回転速度制御を行い、エンジン回転速度を第１回転速度に低下させた状態で、負荷遮断制御を行うようにしている。

図４に基づいて、上述の負荷遮断運転を行うことで、発電機構部１０１からの出力、エンジン１におけるエンジン回転速度、空気比がどのように変化するかについて説明する。
図４（ａ）は、負荷遮断信号Ｆの入力を起点とする発電機構部１０１からの出力の変化を示しており、図４（ｂ）は、エンジン１におけるエンジン回転速度の変化を示しており、図４（ｃ）は、エンジン１に供給される混合気Ｍの空気比の変化を示している。図４（ｂ）において、実際のエンジン回転速度Ｎ１を実線にて示しており、制御目標の設定回転速度となるエンジ回転速度（目標回転速度である１２００〔ｒｐｍ〕又は第１回転速度である９００〔ｒｐｍ〕）Ｎ２を点線にて示している。

図４（ａ）に示すように、負荷遮断信号Ｆが入力されると、低回転速度制御を行うことで、図４（ｂ）に示すように、エンジン回転速度が目標回転速度である１２００〔ｒｐｍ〕から第１回転速度である９００〔ｒｐｍ〕に低下する。そして、エンジン回転速度が第１回転速度で安定した状態となると、あるいは、負荷遮断が必要なタイミングになると、運転制御部１０２は、負荷遮断制御を行い、第３スイッチ４３にて二次励磁発電機２の固定子２ｂ（一次巻線）と電力負荷６１との接続を遮断して、図４（ａ）に示すように、出力を１００％から０％に低下させている。このとき、図４（ｂ）の実線Ｎ１で示すように、この出力低下によりエンジン回転速度が上昇するが、予め低回転速度制御を行っているので、エンジン回転速度が目標回転速度である１２００〔ｒｐｍ〕まで上昇せず、そのエンジン回転速度の上昇が抑えられている。よって、エンジン１や二次励磁発電機２に大きな負担をかけることなく、エンジン１や二次励磁発電機２の耐久性の面で良好なものとなっている。

そして、負荷遮断制御が行われた後も、低回転速度制御を維持することで、エンジン回転速度が第１回転速度である９００〔ｒｐｍ〕に制御されるので、エンジン回転速度が低下していく。その後、低回転速度制御が終了されて回転速度上昇制御に移行され、エンジン回転速度が目標回転速度である１２００〔ｒｐｍ〕に制御されるので、エンジン回転速度が上昇していく。

この第２実施形態においても、上記第１実施形態と同様に、運転制御部１０２が、図４（ｃ）に示すように、低回転速度制御中におけるエンジン１に供給される混合気Ｍの空気比が低回転速度制御を行う前の空気比を基準とする設定範囲Ｈ内となると、低回転速度制御を終了して回転速度上昇制御に移行するように構成されている。図４（ｃ）では、低回転速度制御を行う前の空気比が１．７となっており、その空気比を基準とする設定範囲Ｈを１．７〜１．９の範囲としている。

ちなみに、この第２実施形態においても、空気比については、エンジン回転速度の制御目標となる設定回転速度が変化するタイミングでも変化することになる。例えば、図４において、低回転速度制御が開始されるタイミング、及び、低回転速度制御が終了して回転速度上昇制御が開始されるタイミングにて、空気比が変化することになる。ただし、上述の各種の制御を行うことによる変化に比べて、非常に小さな変化であるので、図４ではこの変化を省略している。

〔第３実施形態〕
上記第１及び第２実施形態では、回転速度上昇制御において、エンジン回転速度を目標回転速度（例えば、１２００〔ｒｐｍ〕）に制御している。この第３実施形態では、これに代えて、運転制御部１０２が、回転速度上昇制御において、エンジン回転速度を目標回転速度（例えば、１２００〔ｒｐｍ〕）よりも高回転速度の第２回転速度（例えば、１５００〔ｒｐｍ〕）に制御するようにしている。

これにより、運転制御部１０２が、再度、出力電力供給運転を行う場合に、電力負荷６１に接続するに当たり、エンジン回転速度を目標回転速度（例えば、１２００〔ｒｐｍ〕）よりも高回転速度の第２回転速度（例えば、１５００〔ｒｐｍ〕）にしておくことができる。よって、電力負荷６１の接続によって、エンジン回転速度が低下するのを防止でき、出力電力の周波数が変動するのを抑制することができる。したがって、出力電力供給運転への移行をスムーズに行うことができながら、電力負荷６１に目標周波数の出力電力を供給することができる。

本発明は、電力系統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る回転子とを有する二次励磁発電機と、前記回転子を駆動するエンジンと、交流側が前記電力系統に接続された第１電力変換機と、交流側が前記二次巻線に接続された第２電力変換機と、前記第１電力変換機の直流側と前記第２電力変換機の直流側とを接続する直流部に接続された蓄電装置と、前記一次巻線と電力負荷との接続を断続自在な切換部とを備え、エンジン回転速度の上昇を抑制しながら、電力負荷との接続を遮断することができ、システム構成の簡素化、小型化やコストの低減を図ることができる各種の発電システム、及び、その発電システムの各種の運転方法に適応可能である。

１ ：エンジン
２ ：二次励磁発電機
２ａ ：回転子
２ｂ ：固定子
３１ ：第１電力変換機
３２ ：第２電力変換機
３３ ：直流部
４３ ：第３スイッチ（切換部）
４４ ：変圧器
６０ ：電力系統
６１ ：電力負荷
６２ ：蓄電装置
１０２ ：運転制御部

Claims (5)

1. 電力系統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る回転子とを有する二次励磁発電機と、前記回転子を駆動するエンジンと、交流側が前記電力系統に接続された第１電力変換機と、交流側が前記二次巻線に接続された第２電力変換機と、前記第１電力変換機の直流側と前記第２電力変換機の直流側とを接続する直流部に接続された蓄電装置と、前記一次巻線と電力負荷との接続を断続自在な切換部と、運転を制御する運転制御部とを備え、
   前記運転制御部は、前記切換部にて前記一次巻線と前記電力負荷とを接続し、目標回転速度にて前記エンジンを駆動させ、前記電力負荷に目標周波数の出力電力を供給する出力電力供給運転と、その出力電力供給運転から前記切換部にて前記一次巻線と前記電力負荷との接続を遮断する負荷遮断運転とを実行可能であり、
   前記負荷遮断運転では、前記切換部にて前記一次巻線と前記電力負荷との接続を遮断する負荷遮断制御を行う際に、エンジン回転速度を前記目標回転速度よりも低回転速度の第１回転速度に制御する低回転速度制御を行うように構成されており、
   前記運転制御部は、負荷遮断信号生成部にて生成された負荷遮断信号が入力されると、前記低回転速度制御を前記負荷遮断制御よりも優先して行い、エンジン回転速度を前記第１回転速度に低下させた状態で前記負荷遮断制御を行い、前記負荷遮断制御を行った後も前記低回転速度制御を維持するように構成されている発電システム。
2. 前記運転制御部は、前記負荷遮断運転において、前記負荷遮断制御を行った後、前記低回転速度制御を終了させて、前記目標回転速度以上の回転速度にて前記エンジンを駆動させるようにエンジン回転速度を上昇させる回転速度上昇制御に移行するように構成されている請求項１に記載の発電システム。
3. 前記運転制御部は、前記低回転速度制御中における前記エンジンに供給される混合気の空気比が前記低回転速度制御を行う前の空気比を基準とする設定範囲内となると、前記低回転速度制御を終了して前記回転速度上昇制御に移行するように構成されている請求項２に記載の発電システム。
4. 前記運転制御部は、前記回転速度上昇制御において、前記目標回転速度よりも高回転速度の第２回転速度にエンジン回転速度を制御するように構成されている請求項２又は３に記載の発電システム。
5. 電力系統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る回転子とを有する二次励磁発電機と、前記回転子を駆動するエンジンと、交流側が前記電力系統に接続された第１電力変換機と、交流側が前記二次巻線に接続された第２電力変換機と、前記第１電力変換機の直流側と前記第２電力変換機の直流側とを接続する直流部に接続された蓄電装置と、前記一次巻線と電力負荷との接続を断続自在な切換部とを備えた発電システムにおいて、
   前記切換部にて前記一次巻線と前記電力負荷とを接続し、目標回転速度にて前記エンジンを駆動させ、前記電力負荷に目標周波数の出力電力を供給する出力電力供給運転と、その出力電力供給運転から前記切換部にて前記一次巻線と前記電力負荷との接続を遮断する負荷遮断運転とを実行可能であり、
   前記負荷遮断運転では、前記切換部にて前記一次巻線と前記電力負荷との接続を遮断する負荷遮断制御を行う際に、エンジン回転速度を前記目標回転速度よりも低回転速度の第１回転速度に制御する低回転速度制御を行い、
   負荷遮断信号生成部にて生成された負荷遮断信号が入力されると、前記低回転速度制御を前記負荷遮断制御よりも優先して行い、エンジン回転速度を前記第１回転速度に低下させた状態で前記負荷遮断制御を行い、前記負荷遮断制御を行った後も前記低回転速度制御を維持する、発電システムの運転方法。

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