特開 2024-10432 電源システム、それに含まれる電力変換器を制御するための制御器および制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024010432

(43)【公開日】2024-01-24

(54)【発明の名称】電源システム、それに含まれる電力変換器を制御するための制御器および制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02J 9/08 20060101AFI20240117BHJP

   H02J 9/06 20060101ALI20240117BHJP

   H02J 7/34 20060101ALI20240117BHJP

【ＦＩ】

H02J9/08

H02J9/06 120

H02J7/34 J

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022111763

(22)【出願日】2022-07-12

(71)【出願人】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】弁理士法人有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】江渡 信一

(72)【発明者】

【氏名】武部 智全

(72)【発明者】

【氏名】山本 裕介

(72)【発明者】

【氏名】堀本 浩志

(72)【発明者】

【氏名】松尾 高明

【テーマコード（参考）】

5G015

5G503

【Ｆターム（参考）】

5G015GA04

5G015GA17

5G015JA26

5G015JA55

5G503AA01

5G503AA07

5G503BA01

5G503BB01

5G503CA10

5G503DA06

5G503DA19

5G503EA05

5G503GB06

(57)【要約】

【課題】需要電力が低い状態であっても原動機発電機による電力供給を継続することができる電源システム、それに含まれる電力変換器を制御するための制御器および制御方法を提供する。
【解決手段】電源システムは、負荷が接続される交流配線に接続され、交流配線における需要電力に応じた電力を交流配線に供給する原動機発電機と、交流配線に接続される電力変換器と、電力変換器に接続される蓄電器と、交流配線における需要電力を検出する需要検出器と、電力変換器を制御する制御器と、を備え、制御器は、交流配線における需要電力が第１基準値未満となっている状態で原動機発電機が運転している期間が第１期間以上となった場合、原動機発電機が出力する電力で蓄電器を充電するような第１制御モードにより電力変換器を制御する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

負荷が接続される交流配線に接続され、前記交流配線における需要電力に応じた電力を前記交流配線に供給する原動機発電機と、
前記交流配線に接続される電力変換器と、
前記電力変換器に接続される蓄電器と、
前記交流配線における需要電力を検出する需要検出器と、
前記電力変換器を制御する制御器と、を備え、
前記制御器は、前記交流配線における需要電力が第１基準値未満となっている状態で前記原動機発電機が運転している期間が第１期間以上となった場合、前記原動機発電機が出力する電力で前記蓄電器を充電するような第１制御モードにより前記電力変換器を制御する、電源システム。

【請求項2】

前記制御器は、前記第１制御モードの制御を開始した場合に計時を開始し、
前記第１制御モードの制御開始からの経過時間が第２期間となった場合に、前記第１制御モードを終了する、請求項１に記載の電源システム。

【請求項3】

前記蓄電器の充電率を検出する充電率検出器を備え、
前記制御器は、前記第１制御モードの開始前または終了後において、前記蓄電器の充電率を所定の範囲に維持するような第２制御モードにより前記電力変換器を制御する、請求項１または２に記載の電源システム。

【請求項4】

前記交流配線における周波数を検出する周波数検出器を備え、
前記制御器は、前記交流配線に前記電力変換器が出力する電力変換器有効電力に対する前記周波数の関係が所定の第１の垂下特性を有するように、前記電力変換器を制御する、請求項１または２に記載の電源システム。

【請求項5】

前記原動機発電機は、前記交流配線における需要電力が前記第１基準値より小さい第２基準値未満になった場合、運転を停止し、
前記制御器は、前記交流配線における需要電力に応じて前記蓄電器を放電するような第３制御モードにより前記電力変換器を制御する、請求項４に記載の電源システム。

【請求項6】

前記蓄電器の充電率を検出する充電率検出器を備え、
前記原動機発電機は、前記蓄電器の充電率が所定の基準値未満になった場合、運転を再開し、
前記制御器は、前記蓄電器を充電するような第４制御モードにより前記電力変換器を制御する、請求項５に記載の電源システム。

【請求項7】

前記交流配線に外部の電源系統が接続されており、
前記制御器は、前記外部の電源系統との間の授受電力が所定の電力目標値となるように前記電力変換器を制御する、請求項４に記載の電源システム。

【請求項8】

負荷が接続される交流配線に接続され、前記交流配線における需要電力に応じた電力を前記交流配線に供給する原動機発電機と、前記交流配線に接続される電力変換器と、前記電力変換器に接続される蓄電器と、前記交流配線における需要電力を検出する需要検出器と、を備えた電源システムにおいて前記電力変換器を制御するための制御器であって、
前記交流配線における需要電力が第１基準値未満となっている状態で前記原動機発電機が運転している期間が第１期間以上となった場合、前記原動機発電機が出力する電力で前記蓄電器を充電するような第１制御モードにより前記電力変換器を制御する、制御器。

【請求項9】

負荷が接続される交流配線に接続され、前記交流配線における需要電力に応じた電力を前記交流配線に供給する原動機発電機と、前記交流配線に接続される電力変換器と、前記電力変換器に接続される蓄電器と、前記交流配線における需要電力を検出する需要検出器と、を備えた電源システムにおける前記電力変換器の制御方法であって、
前記交流配線における需要電力が第１基準値未満となっている状態で前記原動機発電機が運転している期間が第１期間以上となった場合、前記原動機発電機が出力する電力で前記蓄電器を充電するような第１制御モードにより前記電力変換器を制御する、制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電源システム、それに含まれる電力変換器を制御するための制御器および制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

災害等の緊急事態が発生しても企業または団体等が事業を継続可能とするために、企業または団体等が分散型電源を所有する場合がある。分散型電源には、例えばガスエンジン等の原動機発電機が含まれる。このような分散型電源は、通常時は商用電源系統に接続され、連系運転されている。緊急事態の発生時には、分散型電源は、商用電源系統とは独立して自立運転し、分散型電源が接続される周囲の施設等に電力を供給する。

【0003】

しかし、分散型電源の自立運転時には、需要電力が低い状態が継続することが想定される。分散型電源が原動機発電機である場合、低負荷の状態が継続すると、原動機において不完全燃焼が生じ燃焼室内にスラッジが増加する。スラッジの増加は、原動機の焼き付き等の原動機不調の原因となるため、原動機発電機を低負荷の状態で連続して運転する期間には制限がある。また、燃焼室内に生じたスラッジを除去するために、原動機発電機では、低負荷の状態で所定期間運転した後は、高負荷の状態で運転を行うクリーンアップ運転を行う必要がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１６－０８２７４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記特許文献１には、総発電量目標値に対して複数の発電手段における運転台数を調整することにより、発電手段１台当たりの負荷率を所定値以上に維持することが記載されている。しかし、総発電量目標値が１台の発電手段の負荷率を下回る場合には、運転継続が不可能となるため、特許文献１の構成では、需要電力が低い状態において原動機発電機による電力供給を継続することについて改善の余地がある。

【0006】

本開示は、上記課題を解決するものであり、需要電力が低い状態であっても原動機発電機による電力供給を継続することができる電源システム、それに含まれる電力変換器を制御するための制御器および制御方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一態様に係る電源システムは、負荷が接続される交流配線に接続され、前記交流配線における需要電力に応じた電力を前記交流配線に供給する原動機発電機と、前記交流配線に接続される電力変換器と、前記電力変換器に接続される蓄電器と、前記交流配線における需要電力を検出する需要検出器と、前記電力変換器を制御する制御器と、を備え、前記制御器は、前記交流配線における需要電力が第１基準値未満となっている状態で前記原動機発電機が運転している期間が第１期間以上となった場合、前記原動機発電機が出力する電力で前記蓄電器を充電するような第１制御モードにより前記電力変換器を制御する。

【0008】

本開示の他の態様に係る電力変換器のための制御器は、負荷が接続される交流配線に接続され、前記交流配線における需要電力に応じた電力を前記交流配線に供給する原動機発電機と、前記交流配線に接続される電力変換器と、前記電力変換器に接続される蓄電器と、前記交流配線における需要電力を検出する需要検出器と、を備えた電源システムにおいて前記電力変換器を制御するための制御器であって、前記交流配線における需要電力が第１基準値未満となっている状態で前記原動機発電機が運転している期間が第１期間以上となった場合、前記原動機発電機が出力する電力で前記蓄電器を充電するような第１制御モードにより前記電力変換器を制御する。

【0009】

本開示の他の態様に係る電力変換器の制御方法は、負荷が接続される交流配線に接続され、前記交流配線における需要電力に応じた電力を前記交流配線に供給する原動機発電機と、前記交流配線に接続される電力変換器と、前記電力変換器に接続される蓄電器と、前記交流配線における需要電力を検出する需要検出器と、を備えた電源システムにおける前記電力変換器の制御方法であって、前記交流配線における需要電力が第１基準値未満となっている状態で前記原動機発電機が運転している期間が第１期間以上となった場合、前記原動機発電機が出力する電力で前記蓄電器を充電するような第１制御モードにより前記電力変換器を制御する。

【発明の効果】

【0010】

本開示によれば、需要電力が低い状態であっても原動機発電機による電力供給を継続することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本開示の一実施の形態に係る電源システムの概略構成を示すブロック図である。

【図2】図２は、図１に示す電源システムにおける原動機発電機および電力変換器の状態遷移を示す図である。

【図3】図３は、図１に示す電源システムにおいて状態Ｓ３となった場合の電力の流れを示す図である。

【図4】図４は、図１に示す電源システムにおいて状態Ｓ４となった場合の電力の流れを示す図である。

【図5】図５は、図１に示す電源システムにおいて状態Ｓ５となった場合の電力の流れを示す図である。

【図6】図６は、本開示の変形例に係る電源システムの概略構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本開示の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一または同じ機能を有する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

【0013】

［システム構成］
以下、本開示の一実施の形態について説明する。図１は、本開示の一実施の形態に係る電源システムの概略構成を示すブロック図である。本実施の形態における電源システム１は、負荷２が接続される交流配線３に接続される原動機発電機４を備えている。原動機発電機４は、例えばガスエンジン、ディーゼルエンジン等の原動機の回転動力に基づいて発電を行う発電機である。原動機発電機４は、交流配線３における需要電力に応じた電力を交流配線３に供給する同時同量制御により制御される。すなわち、原動機発電機４は、交流配線３における電圧が減少するに従って出力する発電機有効電力を増加する特性を有している。例えば、負荷２の消費電力が増大して当該負荷２が接続される交流配線３における電圧が減少すると、原動機発電機４の出力電力が増加し、交流配線３における電圧が所定の原動機垂下特性に応じた値でバランスするように制御される。

【0014】

さらに、電源システム１は、交流配線３に接続される電力変換器５と、電力変換器５に接続される蓄電器６と、を備えている。電力変換器５と蓄電器６とは直流配線１３を介して接続されている。電力変換器５は、複数のパワー半導体素子を備え、当該パワー半導体素子のオンまたはオフを高速に切り替えることにより、交流配線３の交流電力を直流電力に変換して直流配線１３に出力する、または、直流配線１３の直流電力を交流電力に変換して交流配線３に出力する。電力変換器５は、蓄電器６のパワーコンディショナまたはＰＣＳとも称される。本実施の形態においては、交流配線３と電力変換器５との間に変圧器１２が介装されている。蓄電器６は、二次電池、電気二重層キャパシタ等を含む。

【0015】

電力変換器５は、制御器８によって制御される。制御器８は、交流配線３における需要電力に基づいて電力変換器５を制御する。このために、電源システム１は、交流配線３における需要電力を検出する需要検出器７を備えている。以下では、交流配線３における需要電力を配線需要電力Ｐｔと称する場合がある。さらに、電源システム１は、交流配線３における周波数を検出する周波数検出器９を備えている。なお、図１には、需要検出器７および周波数検出器９が互いに別の構成として示されているが、本実施の形態においては、需要検出器７および周波数検出器９は、交流配線３における電圧および電流から配線需要電力Ｐｔが算出される過程で周波数が算出されるため、一体的に構成されている。

【0016】

本実施の形態において、原動機発電機４も、制御器８により制御される。制御器８は、原動機発電機４に対して、上述した同時同量制御だけでなく、後述するような運転または停止の切り替え制御も行い得る。

【0017】

本実施の形態において、制御器８は、原動機発電機４を制御する第１制御器８１と、電力変換器５を制御する第２制御器８２と、第１制御器８１および第２制御器８２に制御指令を出力する上位制御器８０と、を含む。上位制御器８０は、各検出器７，９，１０等から原動機発電機４および電力変換器５に必要な情報を取得する。また、上位制御器８０は、外部から電力目標値等の指令信号を受信してもよい。

【0018】

上位制御器８０は、取得した情報または指令信号等に基づいて原動機発電機４および電力変換器５のそれぞれに対する制御指令を生成する。第１制御器８１は、上位制御器８０からの制御指令に基づいて原動機発電機４を制御する。第２制御器８２は、上位制御器８０からの制御指令に基づいて電力変換器５を制御する。以下では、第１制御器８１が上位制御器８０で生成された制御指令に基づいて原動機発電機４を制御することを、制御器８が原動機発電機４を制御すると称する。同様に、第２制御器８２が上位制御器８０で生成された制御指令に基づいて電力変換器５を制御することを、制御器８が電力変換器５を制御すると称する。

【0019】

なお、原動機発電機４の運転または停止の切り替え制御が電力変換器５の後述する制御モードに応じて実行可能であれば、電力変換器５の制御を行う第２制御器８２により原動機発電機４が制御されてもよいし、上位制御器８０、第１制御器８１および第２制御器８２が１つの制御器として構成されてもよい。

【0020】

本実施の形態において、交流配線３の接続点１４には、商用系統等の外部の電源系統１１が接続されている。接続点１４と外部の電源系統１１との間には、ガス遮断器等の遮断器１５が介装される。遮断器１５は、電源システム１と外部の電源系統１１との解列点となる。需要検出器７は、接続点１４における需要電力を検出する。

【0021】

制御器８を構成する上位制御器８０、第１制御器８１および第２制御器８２は、それぞれ、例えばマイクロコントローラ、パーソナルコンピュータ等のコンピュータを備えている。例えば、上位制御器８０、第１制御器８１および第２制御器８２は、それぞれ、ＣＰＵ、ＲＡＭ等のメインメモリ、通信インターフェイス等を備えている。

【0022】

なお、本明細書で開示する要素の機能は、開示された機能を実行するよう構成またはプログラムされた汎用プロセッサ、専用プロセッサ、集積回路、ASIC（Application Specific Integrated Circuits）、従来の回路、または、それらの組み合わせを含む回路または処理回路を使用して実行できる。プロセッサは、トランジスタやその他の回路を含むため、処理回路または回路と見なされる。本明細書において、回路、ユニット、または手段は、列挙された機能を実行するハードウェアであるか、または、列挙された機能を実行するようにプログラムされたハードウェアである。ハードウェアは、本明細書に開示されているハードウェアであってもよいし、あるいは、列挙された機能を実行するようにプログラムまたは構成されているその他の既知のハードウェアであってもよい。ハードウェアが回路の一種と考えられるプロセッサである場合、回路、ユニット、手段、または部は、ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせであり、ソフトウェアはハードウェアまたはプロセッサの構成に使用される。

【0023】

［仮想同期発電機モデル制御］
本実施の形態において、電力変換器５は、電力変換器５の代わりに仮想の原動機発電機が接続されたと仮定した場合に、当該仮想の原動機発電機が交流配線３に出力する電力を模擬して、電力変換器５が出力する交流配線３に出力する電力を制御する仮想同期発電機モデル制御によって制御される。このために、制御器８は、交流配線３に電力変換器５が出力する電力変換器有効電力に対する周波数の関係が所定の第１の垂下特性を有するように、電力変換器５を制御する。

【0024】

仮想同期発電機モデル制御は、公知の態様が採用されるが、一般的に以下の特徴を有する。
（１）電圧と周波数との間で垂下特性を有することにより、自律的な需給調整が可能である。
（２）模擬的な慣性モーメントを有し、慣性力を調整可能である。
（３）模擬的なインピーダンスを有し、同期化力を調整可能である。
これらの特徴を有する仮想同期発電機モデル制御を用いて電力変換器５が制御されることにより、蓄電器８に蓄えられた電力による電力変換器５の自立運転、外部の電源系統１１との系統連系運転、および原動機発電機４との並列運転が実行可能であり、かつ、これらの運転をシームレスに切り替えることができる。

【0025】

［原動機発電機の状態に応じた制御モード］
上記の通り、制御器８は、交流配線３に電力変換器５が出力する電力変換器有効電力に対する周波数の関係が所定の第１の垂下特性を有するように、電力変換器５を制御する。さらに、制御器８は、これに並行して、電源システム１の状態、特に原動機発電機４および蓄電器６の状態に応じて複数の制御モードの中から１つの制御モードを選択して実行する。特に、制御器８は、交流配線３における需要電力Ｐｔが第１基準値Ｌ未満となっている状態で原動機発電機４が運転している期間が第１期間Ｔ１以上となった場合、原動機発電機４が出力する電力で蓄電器６を充電するような第１制御モードにより電力変換器５を制御する。

【0026】

図２は、図１に示す電源システムにおける原動機発電機および電力変換器の状態遷移を示す図である。図２において、各状態における「Ｇ」は原動機発電機４の状態を表し、「Ｂ」は蓄電器６の状態を表す。

【0027】

状態Ｓ１は、定常状態である。また、図１は状態Ｓ１の場合を示している。図１において状態Ｓ１における電力の流れは矢印で示される。状態Ｓ１において、負荷２には、第１基準値Ｌ以上の電力が供給される。第１基準値Ｌは、原動機発電機４が連続運転可能な負荷の程度に設定される。また、状態Ｓ１において、制御器８は、蓄電器６の充電率を所定の範囲に維持するようなＳＯＣ一定制御を行う第２制御モードにより電力変換器５を制御する。なお、充電率は、充電状態（State Of Charge）と称され、ＳＯＣと略記される。

【0028】

第２制御モードを行うために、電源システム１は、蓄電器６の充電率を検出する充電率検出器１０を備えている。充電率検出器１０は、例えば、蓄電器６の電圧、電流または温度等を検出し、検出した値に基づいて充電率を算出する。

【0029】

制御器８は、蓄電器６の充電率が所定の範囲内にある場合、負荷２の変動、すなわち、需要電力の変動に応じて仮想同期発電機モデル制御が実行される。この際、原動機発電機４も需要電力の変動に応じて出力が制御される。電力変換器５から交流配線３へ出力される電力変化の応答速度が原動機発電機４から交流配線３へ出力される電力変化の応答速度に比べて速いため、過渡的には、電力変換器５が配線需要電力Ｐｔの変化に対応した後、原動機発電機４が遅れて配線需要電力Ｐｔの変化に対応することになる。

【0030】

このような蓄電器６と原動機発電機４との特性の違いにより、スパイク状の負荷変動等の短期間の負荷変動は、蓄電器６が負担し、長期間の負荷変動は、原動機発電機４が負担することにより、原動機発電機４による発電効率を高くすることができる。

【0031】

制御器８は、蓄電器６の充電率が所定の範囲の上限値を超えた場合、または上限値に基づいて上限値より低い値に設定される基準値を超えた場合、蓄電器６を放電するまたは放電し易くするように電力変換器５を制御する。また、制御器８は、蓄電器６の充電率が所定の範囲の下限値より低くなった場合、または下限値に基づいて下限値より高い値に設定される基準値より低くなった場合、蓄電器６を充電するまたは充電し易くするように電力変換器５を制御する。

【0032】

状態Ｓ１においては、電源システム１と外部の電源系統１１とが連系接続され得る。この場合、制御器８は、外部の電源系統１１との間の授受電力Ｐｅが所定の電力目標値となるように電力変換器５を制御する。例えば、電源システム１が外部の電源系統１１から電力供給を受ける場合の授受電力Ｐｅを正の値とすると、接続点１４における配線需要電力Ｐｔは、負荷２における需要電力を示す負荷需要電力Ｐｌを用いて、Ｐｔ＝Ｐｌ－Ｐｅと表せる。この際、原動機発電機４においても、外部の電源系統１１との間の授受電力Ｐｅが所定の電力目標値となるように、出力電力Ｐｇが制御される。なお、図１において授受電力Ｐｅを示す矢印の向きは、外部の電源系統１１から電源システム１を向くように示されているが、電源システム１から外部の電源系統１１へ電力を送る場合には、授受電力Ｐｅは負の値となり、当該矢印の向きも反対向きとなる。

【0033】

状態Ｓ１において、災害等が発生すると、外部の電源系統１１が電源システム１から解列することが考えられる。例えば、遮断器１５が遮断状態となる。すなわち、電源システム１と外部の電源系統１１との間の授受電力Ｐｅが０になる。本実施の形態において、制御器８は、仮想同期発電機モデル制御を行っているため、外部の電源系統１１が電源システム１から解列しても、制御モードを変更することなく電力変換器５の制御を継続することができる。これにより、事業継続を要する負荷２への電力供給を継続して行うことができる。

【0034】

ただし、災害発生時等において、負荷２における需要電力Ｐｌは、事業継続を行うための必要最低限の電力となることが考えられる。すなわち、負荷需要電力Ｐｌは、状態Ｓ１である定常状態に比べて低くなる。状態Ｓ２は、負荷需要電力Ｐｌが第１基準値Ｌ未満かつ後述する第２基準値ＬＬ以上の状態を表す。状態Ｓ２において、原動機発電機４および電力変換器５の制御態様自体は、図１に示す状態Ｓ１と同じである。

【0035】

このように、状態Ｓ２においても状態Ｓ１と同様の制御が継続されるが、需要電力が第１基準値Ｌ未満かつ第２基準値ＬＬ以上の低負荷状態は、原動機発電機４において連続運転期間が制限される運転状態である。そのため、制御器８は、交流配線３における需要電力Ｐｔが第１基準値Ｌ未満となった場合に内蔵のタイマ等で計時を開始し、経過時間を監視する。低負荷状態が継続したまま経過時間が第１期間Ｔ１以上となった場合、制御器８は、第２制御モードから第１制御モードに遷移する。状態Ｓ３は、電力変換器５が第１制御モードにより制御される状態を表す。第１期間Ｔ１は、原動機発電機４の低負荷状態における連続運転可能期間に基づいて設定される。なお、原動機発電機４の負荷状態は、原動機発電機４の出力を検出することによっても検出可能である。すなわち、需要検出器７は、原動機発電機４の出力を検出してもよい。

【0036】

状態Ｓ２における経過時間は、連続であってもよいし、不連続でもよい。状態Ｓ２において負荷２における需要電力が第１基準値Ｌ以上になると、電源システム１は、状態Ｓ１に復帰する。負荷２の需要電力が第１基準値Ｌ付近である場合、状態Ｓ１と状態Ｓ２との間を行き来する可能性がある。したがって、第１期間Ｔ１より長い監視期間のうちに状態Ｓ２である期間の合計が不連続でも第１期間Ｔ１になった場合には、経過時間が第１期間Ｔ１以上になったと判定されてもよい。あるいは、状態Ｓ２になってから所定の監視期間を経過するまでは途中で状態Ｓ１に復帰しても第１期間Ｔ１のための計時を止めないようにしてもよい。

【0037】

図３は、図１に示す電源システムにおいて状態Ｓ３となった場合の電力の流れを示す図である。制御器８は、第１制御モードにおいて、原動機発電機４が出力する電力で蓄電器６を充電するように制御する。これにより、交流配線３における需要電力Ｐｔは、負荷２における需要電力Ｐｌに電力変換器５を介して蓄電器６を充電する電力を加えたものとなる。すなわち、電力変換器５を介して蓄電器６を充電する電力を充電需要電力Ｐｃとすると、Ｐｔ＝Ｐｌ＋Ｐｃとなる。そのため、状態Ｓ３における原動機発電機４の出力電力Ｐｇは、配線需要電力Ｐｔの増大に応じて増大する。蓄電器６を充電するための電力変換器５への指令値は、低負荷状態である負荷２における負荷需要電力Ｐｌと蓄電器６を充電するための充電需要電力Ｐｃとの合計が第１基準値Ｌ以上の値である第３基準値Ｈ以上となるように設定される。第３基準値Ｈは、原動機発電機４のクリーンアップ運転に必要な出力に基づいて設定される。

【0038】

このように、状態Ｓ３において、電力変換器５が第１制御モードにより制御されることにより、原動機発電機４は高負荷状態で運転される。原動機発電機４においてこのような運転が行われることにより、状態Ｓ２において低負荷状態で運転することにより原動機発電機４の燃焼室内に生じたスラッジが除去される。

【0039】

制御器８は、第１制御モードの制御を開始した場合に計時を開始する。制御器８は、第１制御モードの制御開始からの経過時間が第２期間Ｔ２となった場合に、第１制御モードを終了する。例えば、制御器８は、第２期間Ｔ２の経過後、第１制御モードから第２制御モードに遷移する。このとき、需要検出器７で検出される需要電力、すなわち、負荷２における需要電力Ｐｌが第１基準値Ｌ以上であれば、状態Ｓ３から状態Ｓ１に遷移する。需要電力が第１基準値Ｌ未満かつ第２基準値ＬＬ以上であれば、状態Ｓ３から状態Ｓ２に遷移する。この場合、制御器８は、再度第１期間Ｔ１の経過を検出するための計時を開始する。

【0040】

なお、クリーンアップ運転中に蓄電器６の充電率が所定の第２充電基準値ＨＳ以上となった場合、後述する状態Ｓ４に遷移する。状態Ｓ４においては、原動機発電機４が停止するとともに、制御器８は、第１制御モードから蓄電器６を放電するような第３制御モードに遷移する。

【0041】

また、クリーンアップ運転中に負荷需要電力Ｐｌが第１基準値Ｌ以上になった場合には、制御器８は、第２期間Ｔ２の経過を待たずに電力変換器５の制御モードを第１制御モードから第２制御モードへ遷移させてもよい。この場合には、電源システム１は、負荷需要電力Ｐｌを別途検出する負荷需要検出器を別途備え得る。この場合、状態Ｓ３における経過時間も状態Ｓ２における経過時間と同様に、連続であってもよいし、不連続でもよい。

【0042】

図４は、図１に示す電源システムにおいて状態Ｓ４となった場合の電力の流れを示す図である。状態Ｓ１または状態Ｓ２において、交流配線３における需要電力Ｐｔが第１基準値Ｌより小さい第２基準値ＬＬ未満になった場合、状態Ｓ４に遷移する。状態Ｓ４において、原動機発電機４は、運転を停止する。第２基準値ＬＬは、原動機発電機４の運転時における最低出力に基づいて設定される。

【0043】

すなわち、配線需要電力Ｐｔが第２基準値ＬＬ未満になった場合には、原動機発電機４のみの運転では同時同量制御が担保できない状態となる。この際、制御器８は、交流配線３における需要電力Ｐｔに応じて蓄電器６を放電するような第３制御モードにより電力変換器５を制御する。状態Ｓ４は、原動機発電機４が運転を停止し、かつ電力変換器５が第３制御モードにより制御される状態を表す。状態Ｓ４では、蓄電器６が放電する電力Ｐｄにより配線需要電力Ｐｔすなわち負荷需要電力Ｐｌが賄われる。

【0044】

本実施の形態において、制御器８は、仮想同期発電機モデル制御を行っているため、原動機発電機４が停止しても、制御モードを変更することなく電力変換器５の制御を継続することができる。これにより、事業継続を要する負荷２への電力供給を継続して行うことができる。

【0045】

第３制御モードは、蓄電器６の充電率が所定の第１充電基準値ＬＳ以上である場合、配線需要電力Ｐｔが第２基準値ＬＬ以上になるまで継続される。一方、蓄電器６の充電率が所定の第１充電基準値ＬＳ未満となった場合、制御器８は、第３制御モードから蓄電器６を充電するような第４制御モードに遷移する。これに伴って、原動機発電機４は、運転を再開する。状態Ｓ５は、原動機発電機４が運転し、かつ電力変換器５が第４制御モードにより制御される状態を表す。

【0046】

図５は、図１に示す電源システムにおいて状態Ｓ５となった場合の電力の流れを示す図である。状態Ｓ４から状態Ｓ５への遷移においても、制御器８は、仮想同期発電機モデル制御を行っているため、原動機発電機４が停止状態から再起動しても、制御モードを変更することなく電力変換器５の制御を継続することができる。これにより、事業継続を要する負荷２への電力供給を継続して行うことができる。

【0047】

状態Ｓ４においては、蓄電器６が放電することにより、配線需要電力Ｐｔが賄われる。そのため、状態Ｓ４が継続すると、蓄電器６の充電率は、低下する。蓄電器６の充電率が低下すると蓄電器６から放電することができなくなるため、充電率が第１充電基準値ＬＳ未満となった場合には、制御器８は、蓄電器６を充電させるように制御することで充電率を上昇させる。その代わりに、原動機発電機４が運転を再開することで原動機発電機４の出力で配線需要電力Ｐｔが賄われる。

【0048】

状態Ｓ５における配線需要電力Ｐｔは、状態Ｓ３と同様に、負荷需要電力Ｐｌと充電需要電力Ｐｃとの合計となる。したがって、負荷需要電力Ｐｌだけでは原動機発電機４の同時同量制御が担保できないほど低くても、充電需要電力Ｐｃの分が加えられるため、結果として原動機発電機４の出力は、低負荷状態以上、すなわち、第２基準値ＬＬ以上となる。これにより、原動機発電機４の運転および蓄電器６の充電が可能となる。

【0049】

状態Ｓ５において蓄電器６が充電されることにより、蓄電器６の充電率が第１充電基準値ＬＳより大きい第２充電基準値ＨＳ以上になった場合、状態Ｓ４に復帰する。すなわち、原動機発電機４が停止し、制御器８は、蓄電器６を放電させる第３制御モードにより電力変換器５を制御する。

【0050】

第４制御モードは、蓄電器６を充電させるように電力変換器５が制御される点で第１制御モードと同じである。しかし、第１制御モードは、その終了が、第２期間Ｔ２の経過または充電率が所定の値以上になることであるのに対して、第４制御モードは、その終了が、充電率が第２充電基準値ＨＳ以上になることである点で相違する。第１制御モードと第４制御モードとで充電速度が互いに異なってもよい。

【0051】

なお、状態Ｓ５において負荷需要電力Ｐｌが第１基準値Ｌ以上になった場合には、制御器８は、蓄電器６の充電率にかかわらず電力変換器５の制御モードを第４制御モードから第１制御モードへ遷移させてもよい。この場合には、電源システム１は、負荷需要電力Ｐｌを別途検出する負荷需要検出器を別途備え得る。状態Ｓ１においては、蓄電器６の充電率が所定の範囲内になるように電力変換器５が制御されるため、第１制御モードへの遷移後も、蓄電器６の充電率に応じて蓄電器６が充電され得る。

【0052】

また、状態Ｓ３におけるクリーンアップ運転から蓄電器６の充電率の上昇により状態Ｓ４に遷移した場合は、状態Ｓ４において、蓄電器６の充電率が所定の値、例えばＳＯＣ一定制御における所定範囲内になった場合に、再度状態Ｓ３に遷移してもよい。この場合、制御器８は、状態Ｓ３から状態Ｓ４へ遷移した際に計時をリセットして、状態Ｓ３に復帰したときから計時を改めて０から開始してもよい。

【0053】

［効果］
以上のように、本実施の形態によれば、原動機発電機４が、配線需要電力Ｐｔが第１基準値Ｌ未満となっている低負荷状態となってから第１期間Ｔ１以上経過すると、蓄電器６が充電するように電力変換器５が制御される。そのため、配線需要電力Ｐｔが蓄電器６を充電するための充電需要電力Ｐｃにより増大し、原動機発電機４の出力が増大する。これにより、原動機発電機４を低負荷状態から原動機のクリーンアップを行うためのクリーンアップ運転に必要な出力状態とすることができるため、負荷２が低負荷であっても原動機発電機４の運転を継続することができる。

【0054】

また、負荷需要電力Ｐｌ、低負荷状態における経過時間、蓄電器６の充電率等に応じて、電力変換器５において実行される制御モードが複数の制御モードの中から選択的に切り替えられる。したがって、これらの制約条件に従いつつ低負荷状態における原動機発電機４の運転を継続することができる。

【0055】

さらに、本実施の形態によれば、電力変換器５が仮想同期発電機モデル制御により制御されるため、電源システム１における外部の電源系統１１との接続または解列あるいは原動機発電機４の起動または停止を、電力変換器５の制御を継続した状態でシームレスに行うことができる。

【0056】

［変形例］
以上、本開示の実施の形態について説明したが、本開示は上記実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。

【0057】

例えば、上記実施の形態においては、電源システムが適用される交流配線３が三相系統である場合について説明したが、これに限られない。例えば、交流配線３が単相二線系統または単相三線系統の場合であっても、各種演算の方法が系統の方式に応じて異なることを除いて同様の電源システムを構築可能である。

【0058】

また、上記実施の形態においては、１つの交流配線３に１つの原動機発電機４が接続された例について説明したが、１つの交流配線３に２以上の原動機発電機４が接続されてもよい。

【0059】

また、上記実施の形態においては、状態Ｓ２から状態Ｓ５の何れについても外部の電源系統１１と解列した状態である例を示したが、状態Ｓ２から状態Ｓ５において外部の電源系統１１と連系した状態であっても、本開示の制御態様は適用可能である。

【0060】

図６は、本開示の変形例に係る電源システムの概略構成を示すブロック図である。なお、図６においては状態Ｓ３における電力の流れを矢印で示している。本変形例における電源システム１Ｂは、交流配線３に太陽光発電設備または風力発電設備等の再生可能エネルギー発電設備１６が接続されている以外、上記実施の形態における電源システム１と同様の構成を有している。

【0061】

再生可能エネルギー発電設備１６は、交流配線３に発電電力Ｐｒを供給する。本変形例においても、外部の電源系統１１との間の授受電力Ｐｅが所定の電力目標値となるように、原動機発電機４の出力電力Ｐｇが制御される。すなわち、定常状態である状態Ｓ１では、再生可能エネルギー発電設備１６からの出力がない上記実施の形態に比べて、当該発電電力Ｐｒの分だけ原動機発電機４の出力電力Ｐｇが低く出力される。

【0062】

ここで、再生可能エネルギー発電設備１６における発電電力Ｐｒは、天候等の自然状況に影響を受けて変動する。このため、負荷２における需要電力Ｐｌが変動しなくても、発電電力Ｐｒが大きい状態では、原動機発電機４の出力電力Ｐｇをより小さくする必要がある。このとき、原動機発電機４は、相対的な配線需要電力（Ｐｌ－Ｐｒ－Ｐｅ）が小さくなり、低負荷状態となる。すなわち、原動機発電機４において上記実施の形態における状態Ｓ２と同様の状態となる。

【0063】

このため、本変形例においても、相対的な配線需要電力（Ｐｌ－Ｐｒ－Ｐｅ）が第１基準値Ｌ未満となっている状態で原動機発電機４が運転している期間が第１期間Ｔ１以上となった場合、制御器８は、原動機発電機４が出力する電力で蓄電器６を充電するような第１制御モードにより電力変換器５を制御する。すなわち、状態Ｓ３においては、原動機発電機４の出力電力Ｐｇと再生可能エネルギー発電設備１６の発電電力Ｐｒと外部の電源系統１１から受ける電力Ｐｅの和が負荷需要電力Ｐｌと充電需要電力Ｐｃとの和に一致する、すなわち、Ｐｇ＋Ｐｒ＋Ｐｅ＝Ｐｌ＋Ｐｃとなるように、原動機発電機４および電力変換器５が制御される。

【0064】

変形例におけるその他の状態Ｓ４および状態Ｓ５についても、外部の電源系統１１と連系していることを除き、上記実施の形態と同様に説明できる。

【0065】

なお、本変形例においては再生可能エネルギー発電設備１６が交流配線３に接続される例を示したが、これの代わりに、電源システム１でその出力電力が制御できない発電設備または蓄電設備が接続されてもよい。また、他の発電設備または蓄電設備が交流配線３に接続されていなくても、すなわち、図１に示す上記実施の形態と同様の構成でも、外部の電源系統１１との連系時において負荷２における需要電力Ｐｌが低下した場合に、第１制御モードが実行され得る。例えば、電源システム１から外部の電源系統１１に送る電力（Ｐｅ＜０）が制限されている場合に、負荷需要電力Ｐｌが低下した場合等においては、外部の電源系統１１と電源システム１とが連系していても、原動機発電機４の出力を低下させる必要が生じ、低負荷状態になり得る。

【0066】

また、上記実施の形態においては、蓄電器６を充電する電力は交流配線３を介して供給される態様を示したが、これに加えて、電源システム１は、例えば再生可能エネルギー発電設備等の蓄電器６を別途充電可能な充電設備を備えてもよい。この場合、制御器８は、第４制御モードによる電力変換器５の制御を行わなくてもよい。すなわち、状態Ｓ４において蓄電器６が放電して交流配線３に電力供給することにより充電率が低下した場合には、充電設備により蓄電器６を充電してもよい。

【0067】

また、蓄電器６を他の用途に利用してもよい。例えば、定常状態において、ピークカット用の電力として蓄電器６から出力される電力を交流配線３に供給してもよい。また、例えば、原動機発電機４を起動するための電源として蓄電器６を利用してもよい。

【0068】

［本開示のまとめ］
［項目１］
本開示の一態様に係る電源システムは、負荷が接続される交流配線に接続され、前記交流配線における需要電力に応じた電力を前記交流配線に供給する原動機発電機と、前記交流配線に接続される電力変換器と、前記電力変換器に接続される蓄電器と、前記交流配線における需要電力を検出する需要検出器と、前記電力変換器を制御する制御器と、を備え、前記制御器は、前記交流配線における需要電力が第１基準値未満となっている状態で前記原動機発電機が運転している期間が第１期間以上となった場合、前記原動機発電機が出力する電力で前記蓄電器を充電するような第１制御モードにより前記電力変換器を制御する。

【0069】

上記構成によれば、原動機発電機が、配線需要電力が第１基準値未満となっている低負荷状態となってから第１期間以上経過すると、蓄電器が充電するように電力変換器が制御される。そのため、交流配線における需要電力が蓄電器を充電するための充電需要電力により増大し、原動機発電機の出力が増大する。これにより、原動機発電機を低負荷状態から原動機のクリーンアップを行うためのクリーンアップ運転に必要な出力状態とすることができるため、負荷が低負荷状態であっても原動機発電機の運転を継続することができる。

【0070】

［項目２］
項目１の電源システムにおいて、前記制御器は、前記第１制御モードの制御を開始した場合に計時を開始し、前記第１制御モードの制御開始からの経過時間が第２期間となった場合に、前記第１制御モードを終了してもよい。

【0071】

上記構成によれば、原動機発電機におけるクリーンアップ運転の終了を時間経過で決めることにより、原動機発電機の運転を継続させながら蓄電器の充電率が過度に上昇して第１制御モードにおける制御の継続ができなくなることを抑制することができる。

【0072】

［項目３］
項目１または２の電源システムにおいて、前記蓄電器の充電率を検出する充電率検出器を備え、前記制御器は、前記第１制御モードの開始前または終了後において、前記蓄電器の充電率を所定の範囲に維持するような第２制御モードにより前記電力変換器を制御してもよい。

【0073】

［項目４］
項目１から３の何れかの電源システムにおいて、前記交流配線における周波数を検出する周波数検出器を備え、前記制御器は、前記交流配線に前記電力変換器が出力する電力変換器有効電力に対する前記周波数の関係が所定の第１の垂下特性を有するように、前記電力変換器を制御してもよい。

【0074】

上記構成によれば、交流配線に電力変換器が出力する電力変換器有効電力に対する周波数の関係が所定の第１の垂下特性を有するように、電力変換器が制御されるため、電源システムにおける外部の電源系統との接続または解列あるいは原動機発電機の起動または停止を、電力変換器の制御を継続した状態でシームレスに行うことができる。

【0075】

［項目５］
項目４の電源システムにおいて、前記原動機発電機は、前記交流配線における需要電力が前記第１基準値より小さい第２基準値未満になった場合、運転を停止し、前記制御器は、前記交流配線における需要電力に応じて前記蓄電器を放電するような第３制御モードにより前記電力変換器を制御してもよい。

【0076】

上記構成によれば、交流配線における需要電力が第２基準値未満となり、原動機発電機が運転可能な最低出力を下回った場合でも、原動機発電機が運転を停止し、蓄電器を放電させることで、電源システム全体の運転を継続することができる。

【0077】

［項目６］
項目５の電源システムにおいて、前記蓄電器の充電率を検出する充電率検出器を備え、前記原動機発電機は、前記蓄電器の充電率が所定の基準値未満になった場合、運転を再開し、前記制御器は、前記蓄電器を充電するような第４制御モードにより前記電力変換器を制御してもよい。

【0078】

上記構成によれば、蓄電器の充電率が所定の基準値未満になった場合、原動機発電機の運転が再開し、その出力により蓄電器が充電される。そのため、交流配線における需要電力が、蓄電器を充電するための充電需要電力により増大し、原動機発電機を運転可能な負荷状態としつつ蓄電器の充電率を回復させることができる。

【0079】

［項目７］
項目４から６の何れかの電源システムにおいて、前記交流配線に外部の電源系統が接続されており、前記制御器は、前記外部の電源系統との間の授受電力が所定の電力目標値となるように前記電力変換器を制御してもよい。

【0080】

［項目８］
本開示の他の態様に係る電力変換器を制御するための制御器は、負荷が接続される交流配線に接続され、前記交流配線における需要電力に応じた電力を前記交流配線に供給する原動機発電機と、前記交流配線に接続される電力変換器と、前記電力変換器に接続される蓄電器と、前記交流配線における需要電力を検出する需要検出器と、を備えた電源システムにおいて前記電力変換器を制御するための制御器であって、前記交流配線における需要電力が第１基準値未満となっている状態で前記原動機発電機が運転している期間が第１期間以上となった場合、前記原動機発電機が出力する電力で前記蓄電器を充電するような第１制御モードにより前記電力変換器を制御する。

【0081】

［項目９］
本開示の他の態様に係る電力変換器の制御方法は、負荷が接続される交流配線に接続され、前記交流配線における需要電力に応じた電力を前記交流配線に供給する原動機発電機と、前記交流配線に接続される電力変換器と、前記電力変換器に接続される蓄電器と、前記交流配線における需要電力を検出する需要検出器と、を備えた電源システムにおける前記電力変換器の制御方法であって、前記交流配線における需要電力が第１基準値未満となっている状態で前記原動機発電機が運転している期間が第１期間以上となった場合、前記原動機発電機が出力する電力で前記蓄電器を充電するような第１制御モードにより前記電力変換器を制御する。

【符号の説明】

【0082】

１，１Ｂ 電源システム
２ 負荷
３ 交流配線
４ 原動機発電機
５ 電力変換器
６ 蓄電器
７ 需要検出器
８ 制御器
９ 周波数検出器
１０ 充電率検出器
１１ 外部の電源系統

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】