JP6640524B2 - ランキンサイクル発電装置 - Google Patents

Description

本開示は、ランキンサイクル発電装置に関する。

分散電源装置を商用系統に連系することが行われている。特許文献１、特許文献２および特許文献３には、分散電源装置、商用系統、制御等に関する技術が記載されている。特許文献１に記載されている発明では、分散電源装置として熱エネルギーを利用する発電装置が用いられている。

具体的に、特許文献１の発電装置では、蒸気発生器において、作動流体が蒸発する。膨張機は、作動流体から機械的動力を生成する。発電機は、機械的動力から交流電力を生成する。整流器は、交流電力を直流電力に変換する。インバータは、直流電力から所定の周波数の交流電力を生成する。整流器とインバータとは直流電力線によって接続されている。この直流電力線には、停電時等における発電機の無負荷運転を防止するためにヒータが接続されている。

特許第４８８９９５６号公報 特許第５６３７３１０号公報 特開２０１５−０８３８２９号公報

特許文献１の発電装置には、小型化の観点および信頼性向上の観点から改善の余地がある。このような事情に鑑み、本開示は、これらを両立させるための技術を提供する。

すなわち、本開示は、
作動流体の膨張エネルギーを機械エネルギーに変換する膨張機と、
前記膨張機をバイパスするバイパス流路と、
前記バイパス流路を開閉する開閉装置であって開度を全開、全閉、および全開と全閉の間の中間開度のいずれにも調整可能な開閉装置と、
前記膨張機に連結された発電機と、
を有するランキンサイクル装置と、
前記発電機で発電した交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記コンバータと直流電力線で接続され、前記直流電力を交流電力に変換して商用系統へ出力可能なインバータと、
前記直流電力の一部または全部を吸収する電力吸収部と、
を有する制御装置と、
を備えるランキンサイクル発電装置であって、
前記ランキンサイクル発電装置は特定運転を実行可能であり、
ａ）前記特定運転において、前記電力吸収部で吸収される前記直流電力が第１電力に近づくように、前記制御装置が前記開閉装置の開度を調整する、または、
ｂ）前記特定運転において、前記電力吸収部で吸収される前記直流電力が予め定められた範囲内に収まるように前記開閉装置の開度が予め定められた前記中間開度まで大きくなる、ランキンサイクル発電装置を提供する。

上記のランキンサイクル発電装置は、小型化および信頼性向上の両方の観点から優れている。

実施の形態１におけるランキンサイクル発電装置のブロック図 電力吸収部のブロック図 実施の形態１におけるランキンサイクル発電装置の運転を説明するためのタイムチャート 制御回路のブロック図 変形例２におけるランキンサイクル発電装置の運転を説明するためのタイムチャート 実施の形態２におけるランキンサイクル発電装置のブロック図 実施の形態２におけるランキンサイクル発電装置の運転を説明するためのタイムチャート

本発明者らは、小型化および信頼性向上の両立の観点から、特許文献１の発電装置を改良することを検討した。発電装置を小型化するためには、ヒータを小型化することが考えられる。ヒータを小型化するためには、異常発生時（商用系統の停電時等）におけるヒータでの消費電力を制限することが考えられる。異常発生時におけるヒータでの消費電力を制限するには、異常発生時における発電機での発電電力を制限することが考えられる。異常発生時における発電機での発電電力を制限するには、異常発生直後に熱源で発生する熱量を下げることが考えられる。しかし、異常発生直後に熱源の熱量を下げると、異常発生時に確保するべき電力を確保できなくなるおそれがある。具体的に、発電電力の一部をランキンサイクル装置のポンプ等で使用する場合があり、そのような場合にポンプの駆動に用いるべき電力が増加すると、電力不足により、ランキンサイクル装置の運転継続が困難になったり、ランキンサイクル装置の安全な停止が困難になったりするおそれがある。

本発明者らの鋭意検討により、小型化および信頼性向上（特に、異常発生時におけるランキンサイクル装置の運転の継続およびランキンサイクル装置の安全な停止の実現）の両立には、開閉装置の開度を適切に調整することが有効であることが見出された。本開示は、このような着想に基づくものである。

すなわち、本開示の第１態様は、
作動流体の膨張エネルギーを機械エネルギーに変換する膨張機と、
前記膨張機をバイパスするバイパス流路と、
前記バイパス流路を開閉する開閉装置であって開度を全開、全閉、および全開と全閉の間の中間開度のいずれにも調整可能な開閉装置と、
前記膨張機に連結された発電機と、
を有するランキンサイクル装置と、
前記発電機で発電した交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記コンバータと直流電力線で接続され、前記直流電力を交流電力に変換して商用系統へ出力可能なインバータと、
前記直流電力の一部または全部を吸収する電力吸収部と、
を有する制御装置と、
を備えるランキンサイクル発電装置であって、
前記ランキンサイクル発電装置は特定運転を実行可能であり、
ａ）前記特定運転において、前記電力吸収部で吸収される前記直流電力が第１電力に近づくように、前記制御装置が前記開閉装置の開度を調整する、または、
ｂ）前記特定運転において、前記電力吸収部で吸収される前記直流電力が予め定められた範囲内に収まるように前記開閉装置の開度が予め定められた前記中間開度まで大きくなる、ランキンサイクル発電装置を提供する。

第１態様のａ）では、電力吸収部で吸収される直流電力が第１電力に近づくように開閉装置の開度が調整される。第１電力を過大ではない電力とすることにより、電力吸収部で吸収される直流電力が過大となることが防止されるので、電力吸収部の小型化が可能となる。また、第１電力をある程度大きくすれば、ランキンサイクル装置における消費電力が増加するときに該増加分をスムーズに補うことができるので、ランキンサイクル装置の運転の継続およびランキンサイクル装置の安全な停止が可能となる。従って、第１電力を仕様に応じた適切な値に設定すれば、ランキンサイクル発電装置の小型化および信頼性向上の両立が可能となる。例えば、停電等の系統異常時に特定運転を行うようにすれば、系統異常時におけるランキンサイクル発電装置の信頼性が確保される。以上の理由で、第１態様のａ）の特定運転は、ランキンサイクル発電装置の小型化および信頼性向上の両立に適している。なお、第１電力は、例えば、発電装置の定格電力の１％以上６０％以下の電力である。

第１態様のｂ）では、電力吸収部で吸収される直流電力が予め定められた範囲内に収まるように開閉装置の開度が予め定められた中間開度まで大きくなる。このようにすれば、電力吸収部で吸収される電力が過大となることが防止されるため、電力吸収部の小型化が可能となる。また、このようにすれば、電力吸収部で吸収される電力が過小になることが防止されるため、ランキンサイクル装置における消費電力の増加分がスムーズに補われ易い。以上の理由で、第１態様のｂ）は、ランキンサイクル発電装置の小型化および信頼性向上の両立に適している。なお、上記予め定められた範囲は、例えば、発電装置の定格電力の１％以上６０％以下の範囲である。

本開示の第２態様は、第１態様に加え、
Ａ）前記特定運転において、前記電力吸収部で吸収される前記直流電力が第１電力に近づくように、前記制御装置が前記開閉装置の開度を操作量とするフィードバック制御を行うことによって前記開閉装置の開度を調整する、または、
ｂ）前記特定運転において、前記電力吸収部で吸収される前記直流電力が予め定められた範囲内に収まるように前記開閉装置の開度が予め定められた前記中間開度まで大きくなるランキンサイクル発電装置を提供する。

第２態様のＡ）のフィードバック制御によれば、第１態様のａ）を容易に実現できる。

本開示の第３態様は、第１態様または第２態様に加え、
α）前記特定運転において、前記電力吸収部で吸収される前記直流電力が第１電力に近づくように、前記制御装置が前記開閉装置の開度を調整し、
前記特定運転において、前記ランキンサイクル装置における消費電力が増加するときに、前記電力吸収部で吸収される前記直流電力が一時的に減少するとともに前記制御装置から前記ランキンサイクル装置に供給される電力が増加し、その後前記直流電力が前記第１電力に再度近づいていく、または、
β）前記特定運転において、前記電力吸収部で吸収される前記直流電力が予め定められた範囲内に収まるように前記開閉装置の開度が予め定められた前記中間開度まで大きくなり、
前記特定運転において、前記ランキンサイクル装置における消費電力が増加するときに、前記電力吸収部で吸収される前記直流電力が減少するとともに前記制御装置から前記ランキンサイクル装置に供給される電力が増加するランキンサイクル装置を提供する。

第３態様のα）およびβ）は、特定運転においてランキンサイクル装置における消費電力が増加するときの、電力の典型的な挙動を表す。

本開示の第４態様は、第１〜３態様のいずれか１つに加え、
前記ランキンサイクル装置は、前記作動流体を圧送するポンプをさらに有し、
前記特定運転において、前記ポンプを駆動する電力として前記直流電力の一部が用いられるランキンサイクル発電装置を提供する。

第４態様の特定運転によれば、商用系統が停電しても、ポンプの駆動に必要な電力を確保できる。また、発電機での発電電力を有効活用できる。

本開示の第５態様は、第１態様に加え、
ａ）前記特定運転において、前記電力吸収部で吸収される前記直流電力が第１電力に近づくように、前記制御装置が前記開閉装置の開度を調整する、
Ａ）前記特定運転において、前記電力吸収部で吸収される前記直流電力が第１電力に近づくように、前記制御装置が前記開閉装置の開度を操作量とするフィードバック制御を行うことによって前記開閉装置の開度を調整する、または
α）前記特定運転において、前記電力吸収部で吸収される前記直流電力が第１電力に近づくように、前記制御装置が前記開閉装置の開度を調整し、
前記特定運転において、前記ランキンサイクル装置における消費電力が増加するときに、前記電力吸収部で吸収される前記直流電力が一時的に減少するとともに前記制御装置から前記ランキンサイクル装置に供給される電力が増加し、その後前記直流電力が前記第１電力に再度近づいていくランキンサイクル発電装置を提供する。

第５態様の効果については、第１態様、第２態様および第３態様の効果を参照されたい。

本開示の第６態様は、第５態様に加え、
前記ランキンサイクル装置は、前記作動流体を圧送するポンプをさらに有し、
前記特定運転において、前記ポンプを駆動する電力として前記直流電力の一部が用いられ、
前記特定運転において、前記開閉装置の開度が第１開度まで小さくなったときに、前記ポンプの回転数が低下し始めるランキンサイクル発電装置を提供する。

本開示の第７態様は、第５態様に加え、
前記ランキンサイクル装置は、
前記作動流体を圧送するポンプと、
前記作動流体を加熱する蒸発器と、
前記蒸発器の出口を始点とし前記膨張機の入口を終点とする流路に存在する前記作動流体の温度の特定に用いられるセンサと、
をさらに有し、
前記特定運転において、前記ポンプを駆動する電力として前記直流電力の一部が用いられ、
前記特定運転において、前記センサで特定した温度が第１温度まで低下したときに、前記ポンプの回転数が低下し始めるランキンサイクル発電装置を提供する。

第７態様で規定しているように作動流体の温度がある程度まで低下してからポンプの回転数を低下させることは、ランキンサイクル装置の安全性を確保する観点から適切である。また、電力吸収部で吸収される直流電力が第１電力に近づくように開閉装置を調整する場合には、基本的には作動流体の温度が低下すると開閉装置の開度は小さくなるので、第６態様で規定しているように開閉装置の開度がある程度まで小さくなってからポンプの回転数を低下させることは、同じ観点から適切である。また、第６態様および第７態様の特定運転のようにポンプの回転数を低下させると、ポンプの消費電力を低減できるので、発電電力不足によりランキンサイクル装置の運転継続時間を確保できないという事態を招き難い。また、ポンプの回転数が低下すれば、ポンプの停止が容易となる。

本開示の第８態様は、第６態様または第７態様に加え、
前記特定運転において、前記ポンプの回転数が低下すれば前記膨張機の回転数が低下するランキンサイクル発電装置を提供する。

第８態様のランキンサイクル発電装置によれば、ポンプの消費電力の低減に応じて発電機の発電電力を低下させることができる。このため、発電電力不足によりランキンサイクル装置の運転継続時間を確保できないという事態を招き難い。また、膨張機の回転数が低下すれば、膨張機の停止が容易となる。

本開示の第９態様は、第６〜８態様のいずれか１つに加え、
以下のｅ）〜ｇ）のいずれかが成立したときに前記膨張機および前記ポンプの回転数をゼロにするランキンサイクル発電装置を提供する。
ｅ）前記電力吸収部で吸収される前記直流電力が、第２電力以下である。
ｆ）前記直流電力線の直流電圧が、第１電圧よりも小さい。
ｇ）前記ポンプまたは前記膨張機の回転数が、第１回転数以下である。
ただし、前記第２電力は前記第１電力よりも小さい。

第９態様のランキンサイクル発電装置によれば、作動流体の温度が十分に低下してから、膨張機およびポンプの駆動を停止することができる。従って、第９態様のランキンサイクル発電装置は、装置の安全性の観点から好適である。

本開示の第１０態様は、第９態様に加え、
以下のＥ）およびＧ）のいずれかが成立したときに前記開閉装置の開度を大きくするランキンサイクル発電装置を提供する。
Ｅ）前記電力吸収部で吸収される前記直流電力が、第３電力以下である。
Ｇ）前記ポンプまたは前記膨張機の回転数が、第２回転数以下である。
ただし、前記第３電力は、前記第１電力よりも小さく、前記第２電力よりも大きい。前記第２回転数は、前記第１回転数よりも大きい。

第９態様のｅ）〜ｇ）の条件が成立するときには、作動流体の温度が低く、作動流体が液体を含んでいることがある。このため、第９態様に従って膨張機の駆動を停止させた後には、膨張機の入口における作動流体が液体を含んでいることがある。第１０態様によれば、膨張機の駆動を停止させる前に開閉装置の開度を大きくすることができる。このようにすれば、駆動停止後の膨張機出入口の作動流体の圧力差が低減するため、駆動停止後の膨張機に液体を含む作動流体が流入し難い。

本開示の第１１態様は、第５〜１０態様のいずれか１つに加え、
前記制御装置は、前記インバータ、前記電力吸収部および前記開閉装置を制御する制御回路をさらに有し、
前記特定運転において、前記制御回路は、前記電力吸収部に流入するべき電流である電流指令を演算し、前記電流指令を用いて、前記電力吸収部で吸収される前記直流電力が第１電力に近づくように、前記開閉装置の開度を調整する、ランキンサイクル発電装置を提供する。

第１１態様のランキンサイクル発電装置によれば、電力吸収部で吸収される直流電力を第１電力に近づける特定運転を、該直流電力を測定するセンサなしで行うことができる。

本開示の第１２態様は、第１〜１１態様のいずれか１つに加え、
前記ランキンサイクル装置は、前記作動流体を冷却する凝縮器をさらに有し、
前記特定運転において、前記制御装置は、前記開閉装置の開度を調整するとともに前記凝縮器の放熱量を調整するランキンサイクル発電装置を提供する。

開閉装置の開度の変更は、ランキンサイクル装置に蓄えられる熱エネルギーの大きさおよび作動流体の温度に影響しうる。第１２態様では、開閉装置の開度の調整と併せて凝縮器の放熱量の調整を行うため、ランキンサイクル装置に蓄えられる熱エネルギーおよび作動流体の温度を適切な範囲に維持し易い。このため、蒸発器出口温度の過上昇を防止し易い。

第１２態様の具体例では、前記電力吸収部で吸収される前記直流電力が前記第１電力よりも大きい場合に、前記開閉装置の開度を大きくするとともに前記凝縮器の放熱能力を増加させる。このようにすれば、開閉装置の開度が大きくなり膨張機で抽出される熱エネルギーが減少しても、蒸発器出口温度の過上昇が起こり難くなる。

本開示の第１３態様は、第１２態様に加え、
前記ランキンサイクル装置は、前記凝縮器を冷却する冷却ファンをさらに有し、
前記特定運転において、前記制御装置は、前記冷却ファンの回転数を調整して前記凝縮器の放熱量を調整するランキンサイクル発電装置を提供する。

第１３態様によれば、空冷で第１２態様の効果を得ることができる。

第１３態様の具体例では、前記電力吸収部で吸収される前記直流電力が前記第１電力よりも大きい場合に、前記冷却ファンの回転数を増加させて前記凝縮器の放熱能力を増加させる。

本開示の第１４態様は、第１３態様に加え、
前記特定運転において、前記冷却ファンは、前記直流電力の一部を用いて駆動されるランキンサイクル発電装置を提供する。

第１４態様のランキンサイクル発電装置によれば、商用系統が停電しても、冷却ファンの駆動に必要な電力を確保することができる。また、発電機での発電電力を有効活用できる。

本開示の第１５態様は、第１〜１４態様のいずれか１つに加え、
前記特定運転は、前記ランキンサイクル装置が前記商用系統から解列しているときに行われるランキンサイクル発電装置を提供する。

第１態様等の特定運転は、ランキンサイクル装置が商用系統から解列しているときに好適に行われうる。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

（実施の形態１）
（発電装置の構成）
図１に示すように、実施の形態１の発電装置（ランキンサイクル発電装置）１００は、ランキンサイクル装置１と、制御装置（ランキンサイクル制御装置）２と、を備えている。ランキンサイクル装置１は、制御装置２に接続されている。制御装置２は、外部の電力系統（商用系統）３に接続されうる。電力系統３は、ランキンサイクル装置１に電力を供給することができる。電力系統３には、ランキンサイクル装置１から電力が供給されることもある。電力系統３は、例えば、商用の交流電源である。

ランキンサイクル装置１は、流体回路５０と、発電機８と、電動機１１と、冷却ファン１２と、を有している。流体回路５０は、作動流体が流れる回路である。流体回路５０は、ランキンサイクルを構成している。

流体回路５０は、ポンプ７、蒸発器４、膨張機５および凝縮器６を有している。これらは複数の配管によってこの順で環状に接続されている。膨張機５の入口には、作動流体の温度を特定するためのセンサ１０が設けられている。流体回路５０は、さらに、膨張機５をバイパスしているバイパス流路７０を有している。バイパス流路７０の上流端は流体回路５０における蒸発器４の出口と膨張機５の入口との間の部分に接続されている。バイパス流路７０の下流端は、流体回路５０における膨張機５の出口と凝縮器６の入口との間の部分に接続されている。バイパス流路７０は、バイパス弁（開閉装置）９を有している。

発電機８は、膨張機５に連結されている。電動機１１は、ポンプ７に連結されている。発電機８は、膨張機５によって駆動される。電動機１１は、ポンプ７を駆動する。

ポンプ７は、電動式のポンプである。ポンプ７は、液体の作動流体を循環させることができる。具体的に、ポンプ７として、一般的な容積型またはターボ型のポンプを使用できる。容積型のポンプとして、ピストンポンプ、ギヤポンプ、ベーンポンプ、ロータリポンプ等が挙げられる。ターボ型のポンプとして、遠心ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプ等が挙げられる。ポンプ７は、膨張機５とは連結されていない。つまり、ポンプ７の回転軸と膨張機５の回転軸とは切り離されている。このため、ポンプ７は、膨張機５から独立して動作できる。

蒸発器４は、ボイラー（図示省略）で生成された燃焼ガスの熱エネルギーを吸収する熱交換器である。蒸発器４は、例えばフィンチューブ熱交換器であり、ボイラーの内部に配置されている。ボイラーで生成された燃焼ガスとランキンサイクル装置１の作動流体とが蒸発器４において熱交換する。これにより、作動流体が加熱され、蒸発する。なお、この例では、熱源はボイラーであり熱媒体は燃焼ガスであるが、他の熱源および熱媒体を採用することもできる。例えば、工場、焼却炉等の施設から排出された廃熱エネルギーを利用した熱源を採用することもできる。

膨張機５は、作動流体を膨張させることによって作動流体の膨張エネルギー（熱エネルギー）を回転動力に変換する。膨張機５の回転軸には、発電機８が接続されている。膨張機５によって発電機８が駆動される。膨張機５は、例えば、容積型またはターボ型の膨張機である。容積型の膨張機として、スクロール膨張機、ロータリ膨張機、スクリュー膨張機、往復膨張機等が挙げられる。ターボ型の膨張機は、いわゆる膨張タービンである。

本実施形態の凝縮器６は、膨張機５から吐出された作動流体を冷却ファン１２から送風される冷却空気と熱交換させることによって、作動流体を冷却する。凝縮器６として、フィンチューブ熱交換器を好適に使用できる。本実施形態では、作動流体と熱交換する熱媒体は冷却空気であるが、熱媒体は冷却水であってもよい。水等の液体の熱媒体を熱媒体回路中に流す場合には、凝縮器６として、プレート式熱交換器または二重管式熱交換器を好適に使用できる。

バイパス弁（開閉装置）９は、開度を変更可能な弁である。つまり、バイパス弁９は、開度を全開、全閉、および全開と全閉の間の中間開度のいずれにも調整可能である。バイパス弁９の開度を変更することによって、膨張機５をバイパスする作動流体の流量を調節できる。

なお、本明細書では、「開度」とは、バイパス弁９（開閉装置）を全開にしたときに作動流体が通る通路の断面積を１００％としたときの、作動流体が通る通路の断面積を百分率で表したものである。

センサ１０は、蒸発器４の出口を始点とし膨張機５の入口を終点とする流路に存する作動流体の温度Ｔｓの特定（検出または推定）に用いられるセンサである。この例では、センサ１０は、温度Ｔｓの特定（検出）に用いられる温度センサである。別例では、センサ１０は、温度Ｔｓの特定（推定）に用いられる圧力センサである。圧力と温度との間には相関があるので、圧力センサの検出値（圧力の値）から温度Ｔｓを推定することができる。この例では、センサ１０は、作動流体に接触することによって温度Ｔｓを直接的に検出するものである。ただし、センサ１０は、流路を形成する壁の温度を検出することによって温度Ｔｓを間接的に検出するものであってもよい。壁は、典型的には配管によって構成される。

センサ１０の位置は、センサ１０が温度Ｔｓの特定に利用可能な検出値を得ることができる位置であれば、特に限定されない。センサ１０は、蒸発器４の出口を始点とし膨張機５の入口を終点とする流路におけるいずれかの箇所（または該流路を形成する壁のいずれかの箇所）に設けられうる。ただし、センサ１０は、バイパス流路７０におけるバイパス弁９よりも上流側（蒸発器４側）の部分に設けられてもよい。つまり、センサ１０は、流体回路５０のうち、蒸発器４の出口および膨張機５の入口と同程度に圧力および温度が高くなり易い位置に設けられうる。

ランキンサイクル装置１の動作の概要は以下の通りである。ポンプ７は、作動流体を圧送し、循環させる。蒸発器４は、ボイラー等の熱源（図示省略）からの熱を用いて作動流体を加熱する。これにより、作動流体が過熱蒸気（気体）の状態となる。膨張機５には、過熱蒸気の作動流体が流入する。流入した作動流体は、膨張機５内で断熱膨張する。これにより、膨張機５に駆動力が生じ、膨張機５が動作する。つまり、膨張機５によって、膨張エネルギー（熱エネルギー）が機械エネルギーへと変換される。膨張機５の動作に伴い、発電機８が動作し、発電する。つまり、発電機８によって、機械エネルギーが電気エネルギーへと変換される。要するに、膨張機５および発電機８によって、熱エネルギーが電気エネルギーへと変換される。凝縮器６は、冷却水、冷却空気等を用いて、膨張機５から吐出された作動流体を冷却する。これにより、作動流体が凝縮して液体の状態となる。液体の作動流体は、ポンプ７に吸い込まれる。

制御装置２は、ランキンサイクル装置１を制御する。制御装置２は、コンバータ２０と、ポンプ駆動回路２１と、冷却ファン駆動回路２６と、系統連系用電力変換器（インバータ）２２と、電力吸収部２５と、リレー４１と、制御回路３０と、を有している。コンバータ２０は、交流配線（第１の交流配線）２３を介して発電機８に接続されている。ポンプ駆動回路２１は、交流配線（第２の交流配線）２９を介して電動機１１に接続されている。冷却ファン駆動回路２６は、交流配線（第３の交流配線）２８を介して冷却ファン１２に接続されている。系統連系用電力変換器２２は、リレー４１を介して電力系統３に接続されうる。コンバータ２０と系統連系用電力変換器２２と電力吸収部２５とは、直流電力線２４によって接続されている。リレー４１は、交流配線によって系統連系用電力変換器２２と接続されている。制御装置２は、温度Ｔｓを特定するための信号を取得する。

系統連系用電力変換器２２には、電力系統３からリレー４１を介して交流電力が供給される。系統連系用電力変換器２２は、電力系統３から得た交流電力を直流電力へと変換する。得られた直流電力は、ポンプ駆動回路２１および冷却ファン駆動回路２６に供給される。得られた直流電力は、コンバータ２０にも供給される。発電機８が発電しているときには、コンバータ２０は、発電機８で発電された交流電力を直流電力へと変換する。得られた直流電力は、ポンプ駆動回路２１および冷却ファン駆動回路２６に供給される。得られた直流電力がポンプ駆動回路２１および冷却ファン駆動回路２６に供給するべき直流電力よりも大きい場合には、得られた直流電力の一部（余剰電力）は系統連系用電力変換器２２によって交流電力へと変換される。この交流電力は、リレー４１を介して電力系統３へと供給（逆潮流）される。コンバータ２０は、発電機８を介して膨張機５に制動トルクまたは駆動トルクを与えることができる。

系統連系用電力変換器（インバータ）２２は、コンバータ２０と直流電力線２４で接続され、直流電力を交流電力に変換して商用系統３へ出力可能である。系統連系用電力変換器２２は、ランキンサイクル装置１が単独運転状態になったことを検出できる。単独運転状態は、電力系統３が事故等によって系統電源と切り離された状態において、発電装置１００が線路負荷に有効電力を供給している状態である。単独運転状態（単独運転）の詳細は、日本工業規格ＪＩＳ Ｂ８１２１（２００９）等で説明されているので参照されたい。なお、単独運転状態の検出は、制御装置２における系統連系用電力変換器２２以外の要素に担わせることもできる。

単独運転の検出方法は特に限定されない。単独運転の検出方法の例は周波数シフト方式である。周波数シフト方式の一例では、系統電圧の周波数を（例えば制御周期毎に）検出（または推定）し、検出値に微小なシフト量を加えた周波数を次以降の（例えば次の）周期における系統連系用電力変換器２２の目標出力周波数とし、単独運転時に現れる周波数変化を検出する。単独運転の検出方法の具体例については、特許文献２等を参照されたい。

系統連系用電力変換器２２が単独運転状態を検出すると、リレー４１は、単独運転状態を解消するために、発電装置１００と電力系統３との接続を解除（解列）する。

電力吸収部２５は、直流電力線２４における直流電力を吸収する。本実施形態では、電力吸収部２５は、単独運転状態が検出されると、電力系統３に供給（逆潮流）していた電力（余剰電力）を吸収する。図２に示すように、本実施形態の電力吸収部２５は、電力を放電する放電抵抗と、電力吸収部２５への電流供給をオンオフするスイッチング素子とを有している。図２の例では、放電抵抗およびスイッチング素子は、プラス側配線２４ｐとマイナス側配線２４ｎとの間に介在されている。スイッチング素子の例は、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）等の半導体スイッチ素子である。なお、電力吸収部２５は電力を吸収するものであればよい。例えば、放電抵抗に代えてバッテリーを用いることもできる。

ポンプ駆動回路２１は、別途の電源回路を要さずとも、電動機１１を用いてポンプ７を駆動することができる。ポンプ駆動回路２１は、センサ１０の検出信号等に基づいて、ポンプ７を制御する。これにより、蒸発器４を流れる作動流体の流量が調整される。

冷却ファン駆動回路２６は、別途の電源回路を要さずとも、冷却ファン１２を駆動することができる。冷却ファン駆動回路２６で冷却ファン１２を制御することにより、凝縮器６の熱交換量（放熱能力）が調整される。

（制御シーケンス）
図３を用いて、ランキンサイクル発電装置１００の制御シーケンスを説明する。なお、図３の上から１段目のグラフは、蒸発器４における作動流体の加熱量（作動流体に与えられる単位時間当たりの熱の量）の時間変化を模式的に示している。２段目のグラフは、バイパス弁９の開度の時間変化を模式的に示している。３段目のグラフは、ポンプ７の回転数の時間変化を模式的に示している。４段目のグラフは、膨張機５の回転数の時間変化を模式的に示している。５段目のグラフは、電力吸収部２５での放電電力の時間変化を模式的に示している。６段目のグラフは、発電装置１００から電力系統３に供給する電力の時間変化を模式的に示している。後述する図５および図７の１段目〜６段目のグラフが示す内容も同様である。

Ａ１の期間は、電力系統３が正常で発電装置１００が通常運転を行っている期間である。この期間では、発電機８での発電電力からランキンサイクル装置１で使用する電力を差し引いた電力（余剰電力）は、全て電力系統３へ供給される。

Ａ２の期間は、電力系統３の電圧（系統電圧）が低下し、系統連系用電力変換器２２の電流制限によって電力系統３へ供給される電力が制限される期間である。図３の「系統電圧低下」の時点は、単独運転状態の開始時点に対応する。本実施形態では、系統連系用電力変換器２２が系統電圧の低下を検出してから予め定められた制限時間内に系統電圧が回復した場合（単独運転状態が解消された場合）、通常運転が再開される。制限時間内に系統電圧が回復しない場合、後述のＢの期間に移行する。Ａ２の期間では余剰電力の一部が電力系統３へ供給され、残りの余剰電力が電力吸収部２５で吸収（放電）される。電力系統３へ供給される電力が制限されると直流電力線２４の電圧（直流電圧）が上昇するようにも思われるが、本実施形態では直流電圧が目標電圧になるように電力吸収部２５で放電される電力が制御される。直流電圧を目標電圧に維持することは、ランキンサイクル発電装置１００の安全性確保に有利である。典型的には、目標電圧は、予め定められた（変化しない）電圧である。目標電圧は、例えば３００〜４００Ｖである。ただし、目標電圧は、発電装置１００の運転状態、系統の状態（系統電圧）等に応じて変化する電圧であってもよい。

系統電圧の低下を検出してから予め定められた制限時間内に系統電圧が回復しない場合、リレー４１は、ランキンサイクル装置１と電力系統３との接続を解除（解列）する。これにより、単独運転状態を強制的に解消させる。Ｂの期間（Ｂ１，Ｂ２およびＢ３の期間）は、ランキンサイクル装置１が電力系統３から解列されている期間である。Ｂの期間の終了時にはランキンサイクル装置１の運転は停止されるので、Ｂの期間を停止期間と称することができる。図３に示す例では、Ｂ１の期間、Ｂ２の期間およびＢ３の期間の一部において、電力吸収部２５で吸収される電力が第１電力Ｐ１になるように制御装置２によってバイパス弁９の開度が調整される。電力吸収部２５で吸収される電力が第１電力Ｐ１よりも大きい場合には、バイパス弁９の開度が大きくなり、発電機８の発電電力が低下する。これにより、電力吸収部２５で吸収される電力が小さくなり第１電力Ｐ１に近づく。このようなバイパス弁９の開度の調整によれば、電力吸収部２５で吸収される電力が第１電力Ｐ１を大きく超えることがない。従って、電力吸収部２５の小型化が可能となる。

本実施形態では、電力吸収部２５で吸収される直流電力が第１電力Ｐ１に近づくように制御装置２がバイパス弁（開閉装置）９の開度を調整する運転を、特定運転と称する。本実施形態の特定運転では、電力吸収部２５で吸収される直流電力が第１電力Ｐ１に近づくように、制御装置２がバイパス弁９の開度を操作量とするフィードバック制御を行うことによってバイパス弁９の開度を調整する。また、本実施形態の特定運転では、ランキンサイクル装置１における消費電力が増加するときに、電力吸収部２５で吸収される直流電力が一時的に減少するとともに制御装置２からランキンサイクル装置１に供給される電力が増加し、その後直流電力が第１電力Ｐ１に再度近づいていく。上述の説明から理解されるように、本実施形態の特定運転は、ランキンサイクル装置１が電力系統（商用系統）３から解列されているときに行われる。本実施形態の特定運転は、ランキンサイクル装置１の運転を停止させるための運転である。本実施形態の特定運転は、Ｂ１の期間、Ｂ２の期間およびＢ３の期間の一部において行われる。

典型的には、第１電力Ｐ１は、予め定められた（変化しない）電力である。第１電力Ｐ１は、一例では、発電装置１００の定格電力の１％以上である。通常はポンプ７の駆動電力（ポンプ駆動回路２１の消費電力）は発電装置１００の定格電力の１０％以下であるので、この例の電力吸収部２５は、ポンプ７の駆動電力の１０％以上程度を吸収することができる。このため、同駆動電力がこの程度変動しても、変動分はスムーズに補われうる。典型的な例では、ランキンサイクル装置１の停止に使用される消費電力は小さいので、第１電力Ｐ１が発電装置１００の定格電力の１％以上であれば、ランキンサイクル装置１を停止させる際にランキンサイクル装置１の消費電力が変動しても、該変動分はスムーズに補われうる。すなわち、ランキンサイクル装置１の安全な停止が可能となる。また、この例では、第１電力Ｐ１は、発電装置１００の定格電力の３０％以下である。第１電力Ｐ１を過度に大きくしないことは、電力吸収部２５の小型化の観点から有利である。なお、第１電力Ｐ１は、発電装置１００の運転状態その他に応じて変化する電力であってもよい。なお、図３の例では、Ａ２の期間において放電電力が第１電力Ｐ１を超えているが、Ａ２の期間は短い時間であるため問題はない。

ただし、発電電力が低下するようにバイパス弁９の開度を大きくすると、膨張機５で機械エネルギーへと変換される熱エネルギーが低下するので、蒸発器４の出口の作動流体の温度が過度に上昇するおそれがある。そこで、本実施形態では、特定運転において、制御装置２は、バイパス弁（開閉装置）９の開度を調整するとともに凝縮器６の放熱量を調整する。具体的には、電力吸収部２５で吸収される直流電力が第１電力Ｐ１よりも大きい場合に、バイパス弁９の開度を大きくするとともに凝縮器６の放熱能力を増加させる。さらに具体的には、制御装置２は、冷却ファン１２の回転数を調整して（増加させて）凝縮器６の放熱量を調整する（増加させる）。このようにすれば、蒸発器４の出口の作動流体の温度上昇を抑えることができる。なお、凝縮器６に関する上記の制御は、後述の変形例１のようにフィードフォワードでバイパス弁９の開度を調整する場合にも適用可能である。

本実施形態の特定運転では、ポンプ７を駆動する電力として直流電力の一部が用いられる。別の言い方をすると、発電機８の発電電力の一部は、直流電力線２４を介してポンプ駆動回路２１に供給される。このため、電力系統３が停電しても、ポンプ７の駆動に必要な電力が確保され、ランキンサイクル装置１の運転を継続することができる。また、発電機８での発電電力を有効活用できる。

本実施形態の特定運転では、冷却ファン２６は、直流電力の一部を用いて駆動される。別の言い方をすると、発電機８の発電電力の一部は、直流電力線２４を介して冷却ファン駆動回路２６に供給される。これにより、電力系統３が停電しても、冷却ファン駆動回路２６に必要な電力が確保され、ランキンサイクル装置１の運転を継続することができる。また、発電機８での発電電力を有効活用できる。

図３に戻って、Ｂ１の期間は、ランキンサイクル装置１と電力系統３との解列とともに始まる。Ｂ１の期間では、余剰電力の全部が電力吸収部２５で放電される。Ｂ１の期間の初期において、制御装置２は、放電電力が低下して第１電力Ｐ１に近づくようにバイパス弁９の開度を大きくする。放電電力が第１電力Ｐ１に到達した後は、制御装置２は、放電電力が第１電力Ｐ１に維持されるようにバイパス弁９の開度を調整する。

Ｂ２の期間は、蒸発器４での作動流体の加熱が停止されてから蒸発器４の出口の作動流体の温度が第１温度（後述）以下になるまでの期間である。Ｂ２の期間では、作動流体の熱エネルギーが低下する中で制御装置２が電力吸収部２５における放電電力を第１電力Ｐ１に維持しようとするため、バイパス弁９の開度が徐々に小さくなる。

Ｂ３の期間では、ポンプ７の回転数が低下していく。本実施形態では、Ｂ３の期間においてポンプ７の回転数はゼロまで低下する。Ｂ３の期間は、センサ１０で検出した作動流体の温度が第１温度以下になったときに開始される。つまり、本実施形態では、特定運転において、センサ１０で特定した温度が第１温度まで低下したときに、ポンプ７の回転数が低下し始める。作動流体の温度がある程度まで低下してからポンプ７の回転数を低下させることは、ランキンサイクル装置１の安全性を確保する観点から適切である。また、ポンプ７の回転数を低下させると、ポンプ７の消費電力を低減できるので、発電電力不足によりランキンサイクル装置１の運転継続時間を確保できないという事態を招き難い。また、ポンプ７の回転数が低下すれば、ポンプ７の停止が容易となる。なお、典型的には、第１温度は、予め定められた（変化しない）温度である。第１温度は例えば１００〜１７５℃である。ただし、第１温度は、ランキンサイクル発電装置１００の運転状態その他に応じて変化する温度であってもよい。

別例では、Ｂ３の期間は、バイパス弁９の開度が第１開度まで小さくなったときに開始される。つまり、別例の特定運転では、バイパス弁（開閉装置）９の開度が第１開度まで小さくなったときに、ポンプ７の回転数が低下し始める。電力吸収部２５で放電される直流電力が第１電力Ｐ１に近づくようにバイパス弁９を調整する場合には、基本的には作動流体の温度が低下するとバイパス弁９の開度は小さくなる。従って、バイパス弁９の開度がある程度まで小さくなったときにポンプ７の回転数を低下させることには、作動流体の温度がある程度まで低下したときにポンプ７の回転数を低下させることと同様の意義がある。第１開度は、例えば、２０〜８０％である。

Ｂ３の期間において、膨張機５の回転数をポンプ７の回転数に応じて低下させる。つまり、本実施形態の特定運転では、ポンプ７の回転数が低下すれば膨張機５の回転数が低下する。このため、発電電力不足によりランキンサイクル装置１の運転継続時間を確保できないという事態を招き難い。また、このようにすれば、膨張機５の停止が容易になる。

図３に示す例では、Ｂ３の期間の途中でバイパス弁９の開度が全開となっている。バイパス弁９の開度が全開となった後は、電力吸収部２５における放電電力を第１電力Ｐ１に維持できなくなり、放電電力は小さくなっていく。また、Ｂ３の期間の途中から、直流電力線２４における直流電圧を目標電圧に維持することもできなくなり、直流電圧は小さくなっていく。

電力吸収部２５における放電電力が第２電力以下になったときに、ポンプ７および膨張機５の駆動を停止し、Ｂ３の期間を終了する。つまり、本実施形態では、電力吸収部２５で吸収される直流電力が第２電力以下であるという条件が成立したときに、膨張機５およびポンプ７の回転数をゼロにする。このようにすれば、作動流体の温度が十分に低いときに膨張機５およびポンプ７の駆動を停止させることができるので、装置の安全性を確保し易い。第２電力は、第１電力Ｐ１よりも小さい電力である。典型的には、第２電力は、予め定められた（変化しない）電力である。本実施形態では、第２電力は０Ｗである。ただし、第２電力は、ランキンサイクル発電装置１００の運転状態その他に応じて変化する電力であってもよい。

なお、直流電力線２４の直流電圧が第１電圧よりも低くなったときに、ポンプ７および膨張機５の駆動を停止してもよい。つまり、直流電力線２４の直流電圧が第１電圧よりも小さいという条件が成立したときに、膨張機５およびポンプ７の回転数をゼロにしてもよい。電力吸収部２５における放電電力が極めて小さくなると（略０Ｗになると）、直流電圧を目標電圧に維持できなくなり、直流電圧が低下するためである。第１電圧は、目標電圧よりも低い電圧とすることができ、例えば目標電圧の９０％以下であり、具体的な一例では目標電圧の５０％である。典型的には、第１電圧は、予め定められた（変化しない）電圧である。ただし、第１電圧は、ランキンサイクル発電装置１００の運転状態その他に応じて変化する電圧であってもよい。

また、ポンプ７または膨張機５の回転数が第１回転数よりも低くなったときに、ポンプ７および膨張機５の駆動を停止してもよい。つまり、ポンプ７または膨張機５の回転数が第１回転数以下であるであるという条件が成立したときに、膨張機５およびポンプ７の回転数をゼロにしてもよい。ポンプ７または膨張機５の回転数は、発電機８における発電電力と相関があり、すなわち電力吸収部２５における放電電力とも相関があるためである。典型的には、第１回転数は、予め定められた（変化しない）回転数である。第１回転数は、例えば、系統電圧低下前の回転数の５〜３０％である。ただし、第１回転数は、ランキンサイクル発電装置１００の運転状態その他に応じて変化する回転数であってもよい。

（制御装置が行う制御の詳細）
図４に示すように、制御回路３０は、直流電圧制御部３１と、電流指令制限部３２と、電流制御部３３と、放電制御部３４と、バイパス弁開度指令生成部３５と、減算器３６と、放電電力演算部３７と、を有している。

直流電圧制御部３１は、直流電圧Ｖ_dcを直流電圧指令Ｖ_dc ^*に一致させるための第１電流指令Ｉ^*を、例えばＰＩ制御等によって算出する。直流電圧Ｖ_dcは、不図示のセンサによって検出される。直流電圧指令Ｖ_dc ^*は、目標電圧に対応する。

電流指令制限部３２は、制限電流Ｉ_max ^*に基づいて、第１電流指令Ｉ^*を制限し、第２電流指令Ｉ_a ^*を算出する。具体的には、電流指令制限部３２は、第１電流指令Ｉ^*が制限電流Ｉ_max ^*以下である場合には、第２電流指令Ｉ_a ^*として第１電流指令Ｉ^*を出力する。また、電流指令制限部３２は、第１電流指令Ｉ^*が制限電流Ｉ_max ^*よりも大きい場合には、第２電流指令Ｉ_a ^*として制限電流Ｉ_max ^*を出力する。典型的には、制限電流Ｉ_max ^*として電力系統３へ供給する電流の上限値が与えられる。ランキンサイクル装置１が電力系統３から解列されると、制限電流Ｉ_max ^*はゼロとなり、これにより第２電流指令Ｉ_a ^*もゼロとなる。第２電流指令Ｉ_a ^*は、系統連系用電力変換器２２から電力系統３に出力される電流の有効成分（有効電流）の振幅の目標値を表す。なお、この例では、系統連系用電力変換器２２から電力系統３に出力される電流の無効成分（無効電流）の目標値はゼロである。

電流制御部３３は、第２電流指令Ｉ_a ^*、相電流Ｉ_sおよび系統電圧Ｖ_sに基づいて、電圧指令Ｖ_s ^*を算出する。具体的に、電流制御部３３は、相電流Ｉ_sの有効成分を第２電流指令Ｉ_a ^*と一致させるとともに相電流Ｉ_sの無効成分をゼロにするための電圧指令Ｖ_s ^*を、例えばＰＩ制御等によって算出する。より具体的な電流制御部３３の動作については特許文献２を参照されたい。例えば、特許文献２に記載されている系統電圧の位相推定に関する技術は、本実施形態においても好適に利用されうる。相電流Ｉ_sは、不図示のセンサによって検出される。系統電圧Ｖ_sは、不図示のセンサによって検出される。算出された電圧指令Ｖ_s ^*は、系統連系用電力変換器２２によって用いられる。具体的に、系統連系用電力変換器２２は、電圧指令Ｖ_s ^*に一致する電圧を出力する。なお、説明の便宜上ここでは電力系統が単相である場合について説明しているが、三相の場合でも同様にして電流制御部３３を構成することができる。

減算器３６は、第１電流指令Ｉ^*から第２電流指令Ｉ_a ^*を減算し、放電電流指令Ｉ_br ^*を算出する。放電電流指令Ｉ_br ^*は、電力吸収部２５に流入する直流電流の目標値（より正確には、直流電流の平均値の目標値）を表す。以上の説明から理解されるように、第１電流指令Ｉ^*は直流電圧Ｖ_dcを直流電圧指令Ｖ_dc ^*に一致させるための目標値であり、その第１電流指令Ｉ^*を得るための電流調整として、第１電流指令Ｉ^*が制限電流Ｉ_max ^*以下である場合には第２電流指令Ｉ_a ^*（＝Ｉ^*）のみの調整がなされ、第１電流指令Ｉ^*が制限電流Ｉ_max ^*よりも大きい場合には第２電流指令Ｉ_a ^*および放電電流指令Ｉ_br ^*の調整がなされる。

放電制御部３４は、放電電流指令Ｉ_br ^*と電力吸収部２５の放電抵抗の抵抗値とから放電電圧指令Ｖ_br ^*を計算する。電力吸収部２５は、放電抵抗に印加される電圧が平均的に放電電圧指令Ｖ_br ^*となるように、図２のスイッチング素子を制御する。すなわち、放電電圧指令Ｖ_br ^*は、放電抵抗に印加される電圧の目標値（より正確には、電圧の平均値の目標値）を表す。なお、センサを用いて電力吸収部２５を流れる電流（放電電流）を検出して、検出値を放電電流指令Ｉ_br ^*に一致させるための放電電圧指令Ｖ_br ^*をＰＩ制御器等で計算してもよいが、図４に示す制御によれば放電電流を検出するセンサが不要となる。

放電電力演算部３７は、放電電流指令Ｉ_br ^*と電力吸収部２５の放電抵抗の抵抗値とから放電電力Ｐ_brを演算する。なお、本実施形態では、放電電流指令Ｉ_br ^*と放電抵抗の抵抗値とから放電電力Ｐ_brを演算するが、放電電流指令Ｉ_br ^*と放電電圧指令Ｖ_br ^*とから放電電力Ｐ_brを演算してもよい。

バイパス弁開度指令生成部３５は、所望の放電電力指令Ｐ_br ^*と放電電力Ｐ_brが一致するようにＰＩ制御器等でバイパス弁開度指令を算出する。不図示のバイパス弁駆動回路は、バイパス弁開度指令に基づいてバイパス弁９の開度を制御する。放電電力指令Ｐ_br ^*は、第１電力Ｐ１に対応する。

上述のように、図３のＡ１の期間では、余剰電力の全てが電力系統３に供給される。Ａ１の期間における制御回路３０の動作例を説明する。直流電圧Ｖ_dcが直流電圧指令Ｖ_dc ^*（目標電圧）よりも大きい場合、第１電流指令Ｉ^*は増加する。第１電流指令Ｉ^*に等しい第２電流指令Ｉ_a ^*が生成される。図３の例の通常運転（Ａ１の期間の運転）においては、第１電流指令Ｉ^*が制限電流値Ｉ_max ^*以下であるためである。第２電流指令Ｉ_a ^*、相電流Ｉ_sおよび系統電圧Ｖ_sに基づいて算出される電圧指令Ｖ_s ^*は増加する。結果として、電力系統３へと供給される電流および余剰電力は増加する。第１電流指令Ｉ^*と第２電流指令Ｉ_a ^*とは等しいため、これらの差分Ｉ^*−Ｉ_a ^*に対応する放電電流指令Ｉ_br ^*はゼロとなる。放電電圧指令Ｖ_br ^*もゼロとなる。結果として、電力吸収部２５のスイッチング素子のデューティ比（オン時間およびオフ時間の合計に対するオン時間の比率）がゼロとなる。放電電圧指令Ｖ_br ^*およびバイパス弁開度指令は生成されない。つまり、バイパス弁開度指令生成部３５および放電電力演算部３７は使用されない。

上述のように、図３の例のＡ２の期間では、電力系統３へ供給される電流および電力が制限される。Ａ２の期間における制御回路３０の動作例を説明する。直流電圧Ｖ_dcが直流電圧指令Ｖ_dc ^*よりも大きい場合、第１電流指令Ｉ^*は増加する。制限電流値Ｉ_max ^*に等しい第２電流指令Ｉ_a ^*が生成される。図３の例のＡ２の期間の運転では、第１電流指令Ｉ^*は制限電流値Ｉ_max ^*よりも大きいためである。第２電流指令Ｉ_a ^*（＝Ｉ_max ^*）は変わらないため相電流Ｉ_sも変わらない。第１電流指令Ｉ^*が増加するため、第１電流指令Ｉ^*から第２電流指令Ｉ_a ^*（＝Ｉ_max ^*）を差し引いた差分Ｉ^*−Ｉ_a ^*に対応する放電電流指令Ｉ_br ^*も増加する。放電電圧指令Ｖ_br ^*も増加する。結果として、電力吸収部２５のスイッチング素子のデューティ比が大きくなる。図３の例では、Ａ１の期間からＡ２の期間に移行するときに、系統電圧Ｖ_sが低下するとともに制限電流値Ｉ_max ^*による第２電流指令Ｉ_a ^*の制限が開始される。このため、電力系統３へと供給される余剰電力が低下する。電力系統３へと供給される余剰電力の低下分が電力吸収部２５での放電電力と等しくなるまで、第１電流指令Ｉ^*、放電電流指令Ｉ_br ^*および放電電圧指令Ｖ_br ^*が増加する。Ａ２の期間は、余剰電力の一部（電力系統３へと供給される余剰電力の低下分）が放電電力として消費される期間である。バイパス弁開度指令は生成されない。

上述のように、Ｂ１の期間は、ランキンサイクル装置１と電力系統３との解列とともに始まる期間であり、特定運転が行われる期間であり、余剰電力の全部が電力吸収部２５で放電される期間である。Ｂ１の期間における制御回路３０の動作例を説明する。直流電圧Ｖ_dcが直流電圧指令Ｖ_dc ^*よりも大きい場合、第１電流指令Ｉ^*は増加する。制限電流値Ｉ_max ^*はゼロであるため、第２電流指令Ｉ_a ^*はゼロとなる。電力系統３へと供給される電流および余剰電力はゼロとなるような電圧指令Ｖ_s ^*が算出される。第１電流指令Ｉ^*が増加するため、第１電流指令Ｉ^*から制限電流値Ｉ_max ^*（＝０）を差し引いた差分Ｉ^*−Ｉ_max ^*（＝Ｉ^*）に対応する放電電流指令Ｉ_br ^*も増加する。放電電圧指令Ｖ_br ^*も増加する。結果として、電力吸収部２５のスイッチング素子のデューティ比が大きくなる。放電電流指令Ｉ_br ^*が増加するため、放電電流指令Ｉ_br ^*と電力吸収部２５の放電抵抗の抵抗値とから演算される放電電力Ｐ_brも増加する。放電電力Ｐ_brが放電電力指令Ｐ_br ^*（＝第１電力Ｐ１）よりも大きければバイパス弁９の開度を大きくするためのバイパス弁開度指令を生成する。放電電力Ｐ_brが放電電力指令Ｐ_br ^*よりも小さければバイパス弁９の開度を小さくするためのバイパス弁開度指令を生成する。

Ｂ２およびＢ３の期間においても、制御回路３０は、基本的にはＢ１の期間と同様に動作する。ただし、スイッチング素子のデューティ比が１００％であるときは、放電電圧指令Ｖ_br ^*が増加してもデューティ比は増加しない。また、バイパス弁９の開度の開度が全開であるときは、放電電力Ｐ_brが放電電力指令Ｐ_br ^*（＝第１電力Ｐ１）よりも大きくてもバイパス弁９の開度は大きくならない。

以上の説明から理解されるように、制御回路３０は、系統連系用電力変換器２２、電力吸収部２５およびバイパス弁（開閉装置）９を制御する。系統連系用電力変換器２２は、電圧指令Ｖ_s ^*によって制御される。電力吸収部２５は、放電電圧指令Ｖ_br ^*によって制御される。バイパス弁９は、バイパス弁開度指令によって制御される。本実施形態では、特定運転において、制御回路３０は、電力吸収部２５に流入するべき電流である電流指令（放電電流指令Ｉ_br ^*）を演算する。そして、電流指令を用いて、電力吸収部２５で吸収される直流電力が第１電力Ｐ１に近づくように、バイパス弁（開閉装置）９の開度を調整する。このようにすれば、電力吸収部２５での放電電力（放電電流）を特定するためのセンサが不要となる。なお、「電流指令を用いて」は、「電流指令または電流指令から計算された値を用いて」という意味であり、当然ながら電流指令から計算された放電電力Ｐ_brを用いる場合も含まれる。また、バイパス弁９の調整において、電力吸収部２５での放電電流をセンサ等で測定し、その測定値から計算された放電電力が第１電力Ｐ１になるようにバイパス弁９の開度を調整することもできる。

本実施形態の制御回路３０は、コンバータ２０も制御する。具体的に、制御回路３０は、コンバータ２０に電圧指令V_uvw ^*を与える。コンバータ２０は、発電機８に印加される電圧が電圧指令V_uvw ^*に一致するように、発電機８を制御する。制御回路３０に基づくコンバータ２０および発電機８の制御の詳細については、特許文献３等を参照されたい。

（変形例１）
実施の形態１では、電力吸収部２５における放電電力が第１電力Ｐ１になるようにバイパス弁９を調整したが、放電電力が所定の範囲内に収まるように事前に決めた開度になるようにフィードフォワードでバイパス弁９の開度を調整することもできる。具体的には、変形例１では、特定運転において、電力吸収部２５で吸収される直流電力が予め定められた（変化しない）範囲内に収まるようにバイパス弁（開閉装置）９の開度を予め定められた中間開度（全開と全閉の間の開度）まで大きくする。また、特定運転において、ランキンサイクル装置１における消費電力が増加するときに、電力吸収部２５で吸収される直流電力が減少するとともに制御装置２からランキンサイクル装置１に供給される電力が増加する。直流電力に関する上記の予め定められた範囲は、例えば、発電装置１００の定格電力の１％以上３０％以下の範囲である。また、バイパス弁９に関する上記の予め定められた中間開度は、例えば２０〜８０％の開度である。

変形例１では、単独運転状態を検知した後に、バイパス弁９の開度を上記のように大きくする。具体的には、特定運転の開始時（ランキンサイクル装置１が電力系統３から解列したとき）に、バイパス弁９の開度を上記のように大きくする。このようにすれば、発電機８の発電電力が低下し、電力吸収部２５での放電電力が低減する。この構成は、電力吸収部２５の小型化に適している。また、その後、熱源による蒸発器４の加熱が停止したことを検知したときに、バイパス弁９の開度を小さくする。

（変形例２）
実施の形態１では、バイパス弁９の開度が小さい状態（より具体的には開度が全閉の状態）でポンプ７および膨張機５を停止したが、ポンプ７および膨張機５の停止前にバイパス弁９の開度を大きくすることもできる。具体的には、変形例２では、図５に示すように、電力吸収部２５で吸収される直流電力が第３電力以下であるという条件が成立したときに、バイパス弁（開閉装置）９の開度を大きくする。より具体的には、上記条件が成立したときに、バイパス弁９の開度を２０〜８０％まで大きくする。第３電力は、第１電力Ｐ１よりも小さく、第２電力よりも大きい電力である。典型的には、第３電力は、予め定められた（変化しない）電力である。第３電力は、例えば、第１電力の１０〜９０％である。ただし、第３電力は、ランキンサイクル発電装置１００の運転状態その他に応じて変化する電力であってもよい。

実施の形態１の運転条件を採用する場合、ポンプ７および膨張機５を停止するときには、作動流体の温度が低く、作動流体が液体を含むことがある。液体の作動流体を膨張機５が吸い込むと、液体の作動流体が膨張機５から潤滑オイルを吐出させ、膨張機５における潤滑オイルが不足することがある。潤滑オイルの不足は、膨張機５の摩耗を早めたり、膨張機５における損失を大きくしたりする。また、潤滑オイルを使用しない膨張機（例えばターボ型膨張機）がランキンサイクル装置１に使用されている場合、液体の作動流体を膨張機５が吸い込むと、膨張機５の腐食（物理的な腐食）を招く。しかし、変形例２によれば、ポンプ７および膨張機５を停止した後に液体を含む作動流体を膨張機５が吸い込み難い。

また、ポンプ７または膨張機５の回転数が第２回転数以下であるという条件が成立したときに、バイパス弁（開閉装置）９の開度を大きくすることもできる。第２回転数は、第１回転数よりも大きい回転数である。典型的には、第２回転数は、予め定められた（変化しない）回転数である。第２回転数は、例えば、系統電圧低下前の回転数の５〜４０％である。ただし、第２回転数は、ランキンサイクル発電装置１００の運転状態その他に応じて変化する回転数であってもよい。このようにしても、変形例２と同様の効果を得ることができる。

（実施の形態２）
図６は、本開示の実施の形態２の発電装置（ランキンサイクル発電装置）２００のブロック図である。図６において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略することがある。

図６に示すように、発電装置２００は、実施の形態１における制御装置２に代えて制御装置２０２を備えている。制御装置２０２は、負荷４２と接続可能である。

制御装置２０２では、系統連系用電力変換器２２とリレー４１とを結ぶ交流配線に、負荷４２が接続されうる。負荷４２は、例えば電化製品等である。

系統連系用電力変換器２２および負荷４２には、電力系統３からリレー４１を介して交流電力が供給される。系統連系用電力変換器２２は、電力系統３から得た交流電力を直流電力へと変換する。得られた直流電力は、ポンプ駆動回路２１および冷却ファン駆動回路２６に供給される。得られた直流電力は、コンバータ２０にも供給される。発電機８が発電しているときには、コンバータ２０は、発電機８で発電された交流電力を直流電力へと変換する。得られた直流電力は、ポンプ駆動回路２１および冷却ファン駆動回路２６に供給される。得られた直流電力がポンプ駆動回路２１および冷却ファン駆動回路２６に供給するべき直流電力よりも大きい場合には、得られた直流電力の一部（余剰電力）は系統連系用電力変換器２２によって交流電力へと変換される。この交流電力は、負荷４２へと供給される。この交流電力が負荷４２で消費する電力よりも大きい場合には、交流電力の一部がリレー４１を介して電力系統３へと供給（逆潮流）される。

（制御シーケンス）
図７を用いて、ランキンサイクル発電装置２００の制御シーケンスを説明する。

Ａ１の期間は、電力系統３が正常で発電装置２００が通常運転を行っている期間である。この期間では、発電機８での発電電力からランキンサイクル装置１で使用する電力を差し引いた電力（余剰電力）は、全て電力系統３と負荷４２へ供給される。

Ａ２の期間は、電力系統３の電圧（系統電圧）が低下し、系統連系用電力変換器２２の電流制限によって電力系統３に供給される電力が制限される期間である。この期間では余剰電力の一部が電力系統３および負荷４２に供給され、残りの余剰電力が電力吸収部２５で吸収（放電）される。電力系統３および負荷４２に供給される電力が制限されると、直流電力線２４の電圧（直流電圧）が上昇するようにも思われるが、本実施形態では直流電圧が目標電圧になるように電力吸収部２５で放電される電力が制御される。

系統電圧の低下を検出してから予め定められた制限時間内に系統電圧が回復しない場合、リレー４１は、ランキンサイクル装置１と電力系統３との接続を解除（解列）する。これにより、単独運転状態を強制的に解消させる。Ｂの期間（Ｂ１ａ，Ｂ１ｂ，Ｂ２およびＢ３の期間）は、ランキンサイクル装置１が電力系統３から解列されている期間である。本実施形態でも、実施の形態１の特定運転と同様の特定運転が行われる。

図７に示す例では、Ｂ１ａの期間において、電力吸収部２５で吸収される電力が第１電力Ｐ１’になるように制御装置２によってバイパス弁９の開度が調整される。電力吸収部２５で吸収される電力が第１電力Ｐ１’よりも大きい場合には、バイパス弁９の開度が大きくなり、発電機８の発電電力が低下する。これにより、電力吸収部２５で吸収される電力が小さくなり第１電力Ｐ１’に近づく。このようなバイパス弁９の開度の調整によれば、電力吸収部２５で吸収される電力が第１電力Ｐ１’を大きく超えることがない。従って、電力吸収部２５の小型化が可能となる。

Ｂ１ａの期間は、ランキンサイクル装置１と電力系統３との解列とともに始まる。Ｂ１ａの期間では、余剰電力から負荷４２の消費電力を引いた電力が電力吸収部２５で放電される。Ｂ１ａの期間の初期において、制御装置２０２は、放電電力が低下して第１電力Ｐ１’に近づくようにバイパス弁９の開度を大きくする。放電電力が第１電力Ｐ１’に到達した後は、制御装置２０２は、放電電力が第１電力Ｐ１’に維持されるように、バイパス弁９の開度を調整する。

負荷４２における消費電力が小さい場合は、第１電力Ｐ１’は、例えば発電装置２００の定格電力の１０％〜６０％である。本実施形態では、第１電力Ｐ１’は定格電力の６０％である。本実施形態によれば、負荷４２の消費電力が変動した場合でも、変動量が定格電力の６０％以下であれば、変動分をスムーズに補うことができる。負荷４２の消費電力が変動しうる場合には、負荷４２の消費電力と第１電力Ｐ１’との合計が定格電力以下となるように第１電力Ｐ１’を変化させるような構成を採用してもよい。

Ｂ１ａの期間では、ランキンサイクル発電装置２００は、自立運転を行う。ここでは、自立運転は、ランキンサイクル装置１が電力系統３から解列された状態で、負荷４２を運転することをいう。自立運転は、日本工業規格ＪＩＳ Ｃ８９６０（２０１２）等で説明されているので参照されたい。本実施形態によれば、電力系統３が停電した状態でも負荷４２に電力を供給できる。なお、図７ではＢ１ａの期間は短いが、Ｂ１ａの期間は長い期間であってもよい。

Ｂ１ｂの期間では、ランキンサイクル発電装置２００の運転を停止するために、負荷４２の消費電力を小さくする（本実施形態では、負荷となっている装置を停止して負荷の消費電力をゼロにする）期間である。なお、負荷の消費電力をゼロにした後においては負荷４２の消費電力の変動分を補う電力を電力吸収部２５に吸収させ続ける必要がないため、本実施形態のＢ１ｂの期間では第１電力をＰ１’からＰ１へと低下させている。Ｐ１の範囲の例は、実施の形態１のＰ１の範囲の例と同じである。ただし、第１電力をＰ１’のまま維持してもよい。

Ｂ２，Ｂ３の期間の制御については、実施の形態１における説明を参照されたい。

実施の形態２では、Ａ１〜Ｂ１ａの期間において負荷４２への電力供給を継続している。しかし、負荷４２への供給を一旦止めて、余剰電力の全てを電力吸収部２５で吸収する期間を設け、その後負荷４２への電力供給を再開してもよい。このような期間としては、ランキンサイクル装置１の電力系統３からの解列時を跨ぐ期間が適切である。このようにすれば、ランキンサイクル装置１が電力系統３と連系しているときとランキンサイクル装置１が電力系統３から解列しているときとで系統連系用電力変換器２２の制御モードが大きく変わる場合においても、制御モードを安全に切り替えることができる。

１ ランキンサイクル装置
２，２０２ 制御装置
３ 電力系統（商用系統）
４ 蒸発器
５ 膨張機
６ 凝縮器
７ ポンプ
８ 発電機
９ バイパス弁（開閉装置）
１０ センサ
１１ 電動機
２０ コンバータ
２１ ポンプ駆動回路
２２ 系統連系用電力変換器（インバータ）
２３ 交流配線
２４ 直流電力線
２４ｐ プラス側配線
２４ｎ マイナス側配線
２５ 電力吸収部
２６ 冷却ファン駆動回路
２８ 交流配線
２９ 交流配線
３０ 制御回路
３１ 直流電圧制御部
３２ 電流指令制限部
３３ 電流制御部
３４ 放電制御部
３５ バイパス弁開度指令生成部
３６ 減算器
３７ 放電電力演算部
４１ リレー
４２ 負荷
５０ 流体回路
７０ バイパス流路
１００，２００ 発電装置

Claims (17)

1. 作動流体の膨張エネルギーを機械エネルギーに変換する膨張機と、
   前記膨張機をバイパスするバイパス流路と、
   前記バイパス流路を開閉する開閉装置であって開度を全開、全閉、および全開と全閉の間の中間開度のいずれにも調整可能な開閉装置と、
   前記膨張機に連結された発電機と、
   を有するランキンサイクル装置と、
   前記発電機で発電した交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
   前記コンバータと直流電力線で接続され、前記直流電力を交流電力に変換して商用系統へ出力可能なインバータと、
   前記直流電力の一部または全部を吸収する電力吸収部と、
   を有する制御装置と、
   を備えるランキンサイクル発電装置であって、
   前記ランキンサイクル発電装置は、前記ランキンサイクル装置の運転を停止させるための特定運転を実行可能であり、
   ａ）前記特定運転において、前記制御装置は、前記電力吸収部で吸収される前記直流電力が一定の第１電力に近づきその後前記第１電力に維持されるように前記開閉装置の開度を調整する第１調整を実行する、ランキンサイクル発電装置。
2. 前記特定運転が行われる期間は、前記開閉装置の開度が小さくなっていく期間を含む、請求項１に記載のランキンサイクル発電装置。
3. 作動流体の膨張エネルギーを機械エネルギーに変換する膨張機と、
   前記膨張機をバイパスするバイパス流路と、
   前記バイパス流路を開閉する開閉装置であって開度を全開、全閉、および全開と全閉の間の中間開度のいずれにも調整可能な開閉装置と、
   前記膨張機に連結された発電機と、
   を有するランキンサイクル装置と、
   前記発電機で発電した交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
   前記コンバータと直流電力線で接続され、前記直流電力を交流電力に変換して商用系統へ出力可能なインバータと、
   前記直流電力の一部または全部を吸収する電力吸収部と、
   を有する制御装置と、
   を備えるランキンサイクル発電装置であって、
   前記ランキンサイクル発電装置は、前記ランキンサイクル装置の運転を停止させるための特定運転を実行可能であり、
   ａ）前記特定運転において、前記制御装置は、前記電力吸収部で吸収される前記直流電力が第１電力に近づくように前記開閉装置の開度を調整する第１調整を実行し、
   前記特定運転が行われる期間は、前記開閉装置の開度が小さくなっていく期間を含む、ランキンサイクル発電装置。
4. Ａ）前記特定運転において、前記制御装置は、前記第１調整を、前記開閉装置の開度を操作量とするフィードバック制御を行うことによって実行する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のランキンサイクル発電装置。
5. 前記ランキンサイクル装置は、前記作動流体を圧送するポンプをさらに有し、
   前記特定運転において、前記ポンプを駆動する電力として前記直流電力の一部が用いられ、
   前記特定運転において、前記開閉装置の開度が第１開度まで小さくなったときに、前記ポンプの回転数が低下し始める、請求項１〜４のいずれか一項に記載のランキンサイクル発電装置。
6. 前記ランキンサイクル装置は、
   前記作動流体を圧送するポンプと、
   前記作動流体を加熱する蒸発器と、
   前記蒸発器の出口を始点とし前記膨張機の入口を終点とする流路に存在する前記作動流体の温度の特定に用いられるセンサと、
   をさらに有し、
   前記特定運転において、前記ポンプを駆動する電力として前記直流電力の一部が用いられ、
   前記特定運転において、前記センサで特定した温度が第１温度まで低下したときに、前記ポンプの回転数が低下し始める、請求項１〜４のいずれか一項に記載のランキンサイクル発電装置。
7. 前記特定運転において、前記ポンプの回転数が低下すれば前記膨張機の回転数が低下する、請求項５または６に記載のランキンサイクル発電装置。
8. 以下のｅ）〜ｇ）のいずれかが成立したときに、前記膨張機および前記ポンプの回転数をゼロにする、請求項５〜７のいずれか一項に記載のランキンサイクル発電装置。
   ｅ）前記電力吸収部で吸収される前記直流電力が、第２電力以下である。
   ｆ）前記直流電力線の直流電圧が、第１電圧よりも小さい。
   ｇ）前記ポンプまたは前記膨張機の回転数が、第１回転数以下である。
   ただし、前記第２電力は前記第１電力よりも小さい。
9. 以下のＥ）およびＧ）のいずれかが成立したときに前記開閉装置の開度を大きくする、請求項８に記載のランキンサイクル発電装置。
   Ｅ）前記電力吸収部で吸収される前記直流電力が、第３電力以下である。
   Ｇ）前記ポンプまたは前記膨張機の回転数が、第２回転数以下である。
   ただし、前記第３電力は、前記第１電力よりも小さく、前記第２電力よりも大きい。前記第２回転数は、前記第１回転数よりも大きい。
10. 前記制御装置は、前記インバータ、前記電力吸収部および前記開閉装置を制御する制御回路をさらに有し、
    前記特定運転において、前記制御回路は、前記電力吸収部に流入するべき電流である電流指令を演算し、前記電流指令を用いて、前記電力吸収部で吸収される前記直流電力が第１電力に近づくように、前記開閉装置の開度を調整する、請求項１〜９のいずれか一項に記載のランキンサイクル発電装置。
11. 作動流体の膨張エネルギーを機械エネルギーに変換する膨張機と、
    前記膨張機をバイパスするバイパス流路と、
    前記バイパス流路を開閉する開閉装置であって開度を全開、全閉、および全開と全閉の間の中間開度のいずれにも調整可能な開閉装置と、
    前記膨張機に連結された発電機と、
    前記作動流体を加熱する蒸発器と、
    を有するランキンサイクル装置と、
    前記発電機で発電した交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
    前記コンバータと直流電力線で接続され、前記直流電力を交流電力に変換して商用系統へ出力可能なインバータと、
    前記直流電力の一部または全部を吸収する電力吸収部と、
    を有する制御装置と、
    を備えるランキンサイクル発電装置であって、
    前記ランキンサイクル発電装置は、前記ランキンサイクル装置の運転を停止させるための特定運転を実行可能であり、
    ｂ）前記特定運転において、前記電力吸収部で吸収される前記直流電力が予め定められた範囲内に収まるように前記開閉装置の開度が予め定められた前記中間開度まで大きくなり、
    前記開閉装置の開度が前記予め定められた前記中間開度まで大きくなった後、熱源による前記蒸発器の加熱が停止したことを検知したときに前記開閉装置の開度が小さくなる、ランキンサイクル発電装置。
12. 前記ランキンサイクル装置は、前記作動流体を圧送するポンプをさらに有し、
    前記特定運転において、前記ポンプを駆動する電力として前記直流電力の一部が用いられる、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のランキンサイクル発電装置。
13. 前記ランキンサイクル装置は、前記作動流体を冷却する凝縮器をさらに有し、
    前記特定運転において、前記制御装置は、前記開閉装置の開度を調整するとともに前記凝縮器の放熱量を調整する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のランキンサイクル発電装置。
14. 前記ランキンサイクル装置は、前記凝縮器を冷却する冷却ファンをさらに有し、
    前記特定運転において、前記制御装置は、前記冷却ファンの回転数を調整して前記凝縮器の放熱量を調整する、請求項１３に記載のランキンサイクル発電装置。
15. 前記特定運転において、前記冷却ファンは、前記直流電力の一部を用いて駆動される、請求項１４に記載のランキンサイクル発電装置。
16. 前記特定運転において、前記ランキンサイクル装置の駆動電力が増加するときに、前記電力吸収部で吸収される前記直流電力を減少させて前記駆動電力を増加させる、請求項１２または１５に記載のランキンサイクル発電装置。
17. 前記特定運転は、前記ランキンサイクル装置が前記商用系統から解列しているときに行われる、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のランキンサイクル発電装置。

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