阅读说明：本技术 引擎发电机系统和其控制方法以及热电联供系统 (Engine generator system, control method thereof and cogeneration system ) 是由 日野德昭 木村守 岛田敦史 于 2018-11-28 设计创作，主要内容包括：提供在使用可变速引擎发电机的引擎发电机系统中使电力转换器的保护电路变小并实现转换器的小型、低成本的引擎发电机系统和其控制方法以及热电联供系统。引擎发电机系统具备引擎、被引擎驱动的发电机以及具有直流电路且进行交流-交流变换的转换器,转换器以一端连接于发电机的转子或者定子且另一端连接于电力系统的方式被运用,引擎发电机系统的特征在于,具备：第1部件,在电力系统的事故时对转换器的直流电路并联连接电阻；以及第2部件,在电力系统的事故时减少对引擎供给的燃料量。(Provided are an engine generator system, a control method thereof, and a cogeneration system, wherein a protection circuit of a power converter is reduced and the size and cost of the converter are reduced in the engine generator system using a variable speed engine generator. An engine generator system including an engine, a generator driven by the engine, and a converter having a dc circuit and performing ac-ac conversion, the converter being operated such that one end is connected to a rotor or a stator of the generator and the other end is connected to a power system, the engine generator system comprising: a 1 st component for connecting a resistor in parallel to a direct current circuit of a converter in the event of an accident in a power system; and a 2 nd component that reduces the amount of fuel supplied to the engine in the event of an accident of the power system.)

引擎发电机系统和其控制方法以及热电联供系统

技术领域

本发明涉及通过可变速的引擎发电机来供给电力的引擎发电机系统(engineelectricity generator systmen)和其控制方法以及热电联供系统(co-generationsystem)，特别是涉及在为了实现发电机的可变速而需要频率变换用转换器的系统中针对在系统事故时发生的过大的电流保护转换器、并且不用将发电机从系统进行解列而继续运转的引擎发电机系统和其控制方法以及热电联供系统。

背景技术

本发明所涉及的引擎发电机系统还能够用作利用其排热还供给热的热电联供系统。因此，在本发明的以下的说明中，以热电联供系统为例子进行说明。

使用引擎发电机的热电联供系统由于能够有效地利用引擎的排热，所以综合能效优良。但是，热电联供系统一般按照引擎的电变换效率良好的额定输出进行运转，所以热和电力的供给量是恒定的。在使电力与需求匹配地进行发电时热的供给能力也变化，但热电比例无法改变，针对某一方而变多或变少。

因此，如专利文献1所示，提出了在引擎发电机中使用交流励磁发电机而成为可变速的方法。这利用了如下原理：即使是相同的电输出，通过改变引擎的转矩和转速的比例，引擎的排热量也会变化。

交流励磁发电机使用转换器将交流供给到转子，通过改变其交流频率，在使引擎的转速可变的同时，将发电频率以与系统匹配的方式保持为恒定。例如在专利文献2中记载有这样的交流励磁发电机。

专利文献2涉及在使用交流励磁发电机的风力发电系统中与在电力系统中发生了停电等电压下降时的转换器保护有关的技术。以往的主要的电源是与系统直接连接的同步发电机，原动机的速度恒定。同步发电机被设计成在由于系统事故等异常时产生的瞬时的电压下降而发生的过电流下不会发生故障。

另一方面，为了将原动机设为可变速，在发电机中需要频率变换用转换器。但是，转换器针对过电流而易于发生故障，所以针对过电流的保护是必不可少的。这是在太阳能发电、风力发电、电池等利用转换器的非同步发电装置中共同的课题，初期的非同步发电装置在系统事故时从系统进行解列来保护。

近年来，由于太阳能发电、风力发电等可再生能源的快速的普及，这些非同步发电装置所占的比例增加，与作为以往的主要的电源的同步发电机相比已变得无法忽略。如果在系统事故时非同步发电装置全部为了自我保护而一齐解列，则由于连锁解列而系统事故扩大，有可能导致大规模停电。

因此，为了系统的稳定化，在利用转换器的非同步发电机装置中，作为系统互连要件而需要FRT(Fault Ride Through，故障穿越)或者LVRT(Low Voltage Ride Through，低电压穿越)这样的功能。具体而言，必须规定为如下：规定电压的下降率和其持续时间，在比规定轻微的系统事故的情况下继续运转。

现有技术文献

专利文献1：日本专利第5868170号

专利文献2：日本特开2010-213563号公报

发明内容

在热电联供中使用的以往的引擎发电机使用同步发电机，所以不适用FRT规定，但在使用可变速引擎的情况下需要转换器，对于这样的非同步发电装置而言FRT功能是必不可少的。在专利文献1中并未记载其对策。

在专利文献2中示出了与风力发电装置有关的FRT对应技术。基于此，示出了如下方法：转换器是在系统侧转换器与转子侧转换器之间具有直流电路的结构，探测直流电路的电压上升，并通过在此并联地设置的过电流消耗装置来实现继续运转。

该过电流消耗装置具体而言是电阻器，所以消耗能源越大则体积越大。即，关于过电流消耗装置，面向输出越大的发电机，并且要求克服电压下降的时间越长，则消耗的能源越大，所以体积变大。这成为阻碍转换器整体的低成本化、小型化的原因。另外，将来在可再生能源增加的社会中，作为系统互连要件，克服电压下降的时间可能会变长但不会变短。

另外，即使不会导致系统事故，也会由于可再生能源的变动输出而使系统的电压变得不稳定。此时，作为热电联供的发电系统，需要维持电压的功能。以往，虽然能够利用同步发电机的励磁电流控制来控制发电端电压，但并未示出在该系统中使电压变稳定的控制方法。

本发明是鉴于上述问题点而完成的，其目的在于提供一种在使用可变速引擎发电机的引擎发电机系统中使电力转换器的保护电路变小并实现转换器的小型、低成本的引擎发电机系统和其控制方法以及热电联供系统。

基于以上，在本发明中设为“一种引擎发电机系统，具备引擎、被引擎驱动的发电机以及具有直流电路且进行交流-交流变换的转换器，转换器以一端连接于发电机的转子或者定子且另一端连接于电力系统的方式被运用，引擎发电机系统的特征在于，具备：第1部件，在电力系统的事故时对转换器的直流电路并联连接电阻；以及第2部件，在电力系统的事故时减少对引擎供给的燃料量”。

另外，在本发明中设为“一种热电联供系统，具备回收来自引擎的排热的排热回收装置”。

另外，在本发明中设为“一种引擎发电机系统的控制方法，引擎发电机系统具备引擎、被引擎驱动的发电机以及具有直流电路且进行交流-交流变换的转换器，转换器以一端连接于发电机的转子或者定子且另一端连接于电力系统的方式被运用，引擎发电机系统的控制方法的特征在于，在电力系统的事故时对直流电路并联连接电阻，并且在电力系统的事故时减少对引擎供给的燃料量”。

根据本发明，在使用可变速引擎设备的引擎发电机系统中，能够使在系统异常时用于从过电流中保护交流励磁发电机的励磁用电力转换器的短路电路(过电流消耗装置)变小。另外，能够通过控制发电机端的电压而使系统变稳定。

附图说明

图1是示出本发明的实施例1所涉及的热电联供系统的结构例的图。

图2是示出电力系统事故时的电压下降的时间经过的图。

图3是示出系统事故时的剩余输出和剩余能源的时间变化的图。

图4是示出系统事故时的电阻器的温度的时间变化的图。

图5是示出通常的FRT动作中的各部分的状态的图。

图6是示出本发明的控制流程的图。

图7是示出图6的流程中的电力系统事故发生后的转速和燃料的关系的图。

图8是示出基于图6的控制流程的各部分的状态的图。

图9是示出本发明的实施例2所涉及的热电联供系统的结构例的图。

(符号说明)

1：引擎；2：转换器；3：交流励磁发电机；3B：磁铁励磁发电机；4：热电联供系统；5：排热回收装置；6：综合控制装置；7：保护电路；8：节流阀；9：开闭器；10：空气；11：燃料；12：排气；13：水；14：蒸气；20A：电压计；20B：电压计；21：功率计；30：转速计；40：综合控制装置；50：开闭器；51：电阻器；52：切断器；53：滤波电路；71：开关元件；80：FRT规定；81：系统事故时发电端电压的例；82：FRT规定最低电压的持续时间；83：FRT规定最低电压；84：FRT规定电压收敛时的容许范围；85：FRT规定系统事故结束时间；86：剩余输出；87：剩余能源累计；90A：电阻器的温度上升曲线、并联电路数1；90B：电阻器的温度上升曲线、并联电路数2；90C：电阻器的温度上升曲线、并联电路数1；90D：本发明的电阻器的温度上升曲线；92A：以往的引擎发电机的FRT时的燃料流量；92B：本发明的引擎的FRT时的燃料流量；93A：以往的FRT时的引擎的转速；93B：本发明的FRT时的引擎的转速；95A：以往的FRT时的Vdc电压曲线；95B：本发明的FRT时的Vdc电压曲线；100：电力系统；201：转子侧转换器；202：系统侧转换器；203：直流电路；204：直流电容器；301：交流励磁发电机转子；302：交流励磁发电机定子；601：引擎控制单元(ECU)；602：转换器控制装置。

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明的实施例。此外，在用于说明实施例的全部图中，原则上对同一部件附加同一符号，适当地省略重复的说明。

实施例1

使用图1，说明本发明的实施例1所涉及的热电联供系统的结构例。

热电联供系统4以引擎1、交流励磁发电机3、转换器2以及排热回收装置5作为主要的要素而构成。另外，作为控制器，具有综合控制装置6、引擎控制单元601(以下称为ECU)和转换器控制装置602。

综合控制装置6被提供有效电力指令p^*、无效电力指令q^*以及热指令Q^*作为指令信号CMD，另外从功率计21得到电力系统的电力(有效电力指令p和无效电力指令q)，根据这些来决定引擎的转速指令ω^*并送到ECU601，将电力指令(有效电力指令p^*和无效电力指令q^*)提供给转换器控制装置602。

引擎1利用节流阀8来调整燃料11和空气10的混合气体的取入量，从而控制轴输出。ECU601从速度计30接受引擎的转速ω的反馈，为了设为综合控制装置6提供的转速目标值ω^*而控制节流阀8。

引擎的排气12在排热回收装置5中进行热交换，将水13加热为蒸气14而对热负载(未图示)供给热。

引擎1的轴输出通过交流励磁发电机3而被变换为电力。通常，引擎发电机在控制电力时，无法独立地控制热，但通过如专利文献1那样增加引擎的转速，能够增加供给热量。

在交流励磁发电机3中，转子301被引擎1驱动，由此从定子302输出电。定子302的电输出端经由开闭器50和切断器52而与电力系统100连接。

转换器2利用直流电路203来连接转子侧转换器201和系统侧转换器202，并连接有用于吸收直流电路203的部分的电压变动的电容器204、以及保护电路7。通过上述结构的转换器2，作为转换器2的整体而进行交流-交流变换。这样，转换器2是具有直流电路203并进行交流-交流变换的功能的转换器。

保护电路7包括电阻器51和开关元件71。转子侧转换器201对转子301供给交流而励磁。系统侧转换器经由滤波电路53而与系统连接。因此，交流励磁发电机3的发生电力成为定子302的输出和对系统侧转换器202进行输入输出的电力的合计输出。

说明交流励磁发电机的可变速时的动作。虽然通过由转子侧转换器201对转子301的3相绕组供给交流而发生旋转磁场，但由于转子301自身也旋转，所以在从定子302观察时，磁场的转速成为其合计。

在假设轴的旋转方向与转子301生成的旋转磁场的方向一致时，将转子301的交流频率设为f_rotor，将转子的速度设为N(r/min)，将极对数设为P/2，能够用以下的(1)式来表示定子302接受的交流磁场的频率f_stator。

[数学式1]

f_stator＝N/60*(P/2)+f_rotor……(1)

在假设交流频率f_rotor为零、即供给直流时，成为与同步发电机相同的动作。转子侧转换器201能够提供任意的电压、相位、交流频率f_rotor的交流。由此，即使引擎1的转速N变化，也能够实现与外部电力系统100的交流相同的频率且同步的发电。

这样的交流励磁发电机3通过改变向转子301的通电相位，能够控制转矩、即交流励磁发电机3的有效电力p。另外，还能够通过改变转子301的电流值来改变励磁磁通，改变定子302的电压，即控制无效电力q。上述转子侧转换器201将交流侧控制为任意的频率和电压，但前提是这个情况下的直流电路部203的电压为恒定。

另一方面，系统侧转换器202控制成以使直流电路部203的电压Vdc成为恒定的方式通过进行开关而与系统侧进行电力的输入输出。此时，系统侧转换器202还能够单独地改变系统侧的电压、即控制无效电力q。

这样，由转子侧转换器能够调整发电机的无效电力q，且由系统侧转换器也能够调整无效电力q，所以在使用该交流励磁发电机3的系统中，能够供给比以往大的无效电力q。

转换器控制装置602为了达到提供的电力指令(有效电力指令p^*和无效电力指令q^*)，适当控制转子侧转换器201和系统侧转换器202。成为此时的控制对象的是朝向上述转子301的通电相位，是转子301的电流值，是系统侧转换器202中的系统侧的电压等。

接下来，说明图1的结构中的系统事故时的FRT动作。

构成转换器2的转子侧转换器201和系统侧转换器202一般由IGBT等半导体设备构成，但由于其可通电量和耐电压有上限，所以在通常运转中在被确定的限制以下进行运转。这是为了防止半导体设备超过耐电压而绝缘破坏、或者由于过电流引起的温度上升导致的破损。转换器的针对过电流、过电压的耐性与作为以往的系统电源的主角的发电机等相比非常低。因此，在系统短路等异常时，必须保护转换器。

因此，利用转换器2的交流励磁发电机3往往被设计成在系统事故时容易解列。但是，今后以太阳能发电、风力发电、蓄电池为代表，在利用转换器的电源增加时，在事故时它们全部解列的情况下存在停电连锁地扩大的可能性。为了避免这个问题，系统运营者针对瞬时电压下降，对各发电机设置继续运转(Fault Ride Through：FRT)规定。

图2示出电力系统事故时的电压下降(纵轴)的时间经过(横轴)。在该例子中示出如下例子：由于时刻t0下的电力系统事故发生而电压81下降，在时刻t10事故被消除，之后在时刻t20恢复为原来的电压。利用图1所示的转换器2的交流励磁发电机3期待在直至电压恢复为止的期间使转换器2继续运转。

在图2中，用虚线80表示用于继续运转的FRT规定。在虚线80的FRT规定中，决定了系统事故后的最低电压83和其持续时间82、事故结束后的电压下降的容许范围84、系统事故的结束时间等。如果实际的系统事故时的电压是例如电压波形81，则视为是比虚线80所示的FRT规定更轻微的系统事故，针对收敛于该范围的电压下降，必须能够继续运转。

在系统事故时事故点的电压下降，但由于定子302的电压高，所以在电力系统中流过过电流。另外，过电流还要从转子301流向转换器2。不论是哪一方，从引擎1的轴接受的能源都要被变换为电力，所以电流必须增加与电压下降的量相应的量，但在转换器2中不流过过电流。

在上述状态下为了消除电力系统的事故而未图示的保护继电装置使切断器52开路时，由于电气系统的电路被切断，能源失去去处，转子301的转速ω上升而被变换为动能，或者能源被积蓄到直流电路部203的电容器204，在超过电容器容量时破裂。在旋转机中也存在由过度旋转引起的损伤的可能性。另外，担心构成转换器2的半导体元件的破坏。

在通常运转中，系统侧转换器202以将Vdc保持为恒定的方式控制系统侧的交流电流。但是，在转换器中电流容量有上限，所以在电压下降时无法使电力逃出到系统，直流电路203的电压上升。为了避免这个问题，与直流电路部并联地设置保护电路7。该保护电路7利用电压计20A检测直流电路的电压，在该电压超过预定的电压的情况下消耗能源。保护电路7包括电阻器和开关元件71，通常将开关元件71设为断开(OFF)，在过电压的情况下将开关设为接通(ON)，利用电阻器51消耗能源。

但是，电阻器51消耗能源，与此相应地，温度上升。电阻器也有耐热的界限。如FRT那样，由于顶多几秒的短时间的温度上升只能通过机器的热容量来吸收，所以导致使电阻器变大。这存在成本也增加、还无法使机器小型化的问题。今后，在与系统互连的带转换器的电源增加时，认为FRT的要件会逐渐变严，随着可继续运转的电压下降的时间变长，电阻器变大。

因此，在本发明中，为了使该保护电路7的电阻器变小，在FRT动作中以减少从引擎的轴朝向发电机3的能源输入的方式还加入引擎的燃料控制，从而减少保护电路7中的能源消耗。以下，说明具体的动作例。

图3示出系统事故时的剩余输出和剩余能源的时间变化。剩余输出86成为使图2的发电端电压大致上下反转的形状。在正常时，来自轴的机械输入作为发电机的电流与电压之积被输出并成为稳定状态，但在发电机的电压下降时，电流由于电感等而不会急剧地增加，所以无法输出电力。将其称为剩余电力。将剩余输出86在时间上累计得到的结果成为剩余能源87。

该剩余能源87直接被变换为电阻器51的热，其平均温度在以短时间的绝热近似来考虑时与剩余能源曲线相等，电阻器的温度成为图4所示的温度上升曲线90A。图4示出系统事故时的电阻器的温度的时间变化。将该电阻器进行2并联、3并联得到的结果是温度上升曲线90B和90C，越增加并联数则温度变得越低。但是，这导致保护电路变大，妨碍变换器自身的小型化。

图5示出通常的FRT动作中的各部分的状态。具体而言，示出关于电阻器的温度上升曲线90A、直流电压95A、转速93A、混合器流92A、系统事故时的发电端电压81的时间变化。

在该事例中设想如下情况：在系统事故时不利用引擎1的节流阀8来调整输出，输入到引擎的混合气量92A为恒定。在该情形下，在交流端电压波形由于系统事故而如81那样下降时，以使直流电路部203的电压Vdc如95A所示上升、例如上升至105％的阈值后成为恒定的方式，保护电路7使开关元件71动作。在该期间，在电阻器51中能源被消耗，温度如90A那样上升。剩余的能源全部在保护电路7中被消耗，所以转速能够如93A所示保持为恒定。在系统事故结束时剩余能源消失，所以直流电压Vdc下降，恢复到稳定运转。

相对于此，图6示出本发明的控制流程。在图6的最初的处理步骤S1中，确认在系统事故时直流电压Vdc上升并超过作为阈值的例如105％的情形，在超过阈值时在处理步骤S2中开始对保护电路7通电。此外，保护电路7的通电是指通过图1的开关元件71将电阻51连接到直流电路203，产生由于电阻中的电力消耗而引起的发热。在处理步骤S3中监视保护电路7的温度，如果温度超过作为阈值T7的60℃，则在处理步骤S4中临时关闭节流阀8而使混合气体的燃料成为大致零。由于燃料切断，从引擎轴向发电机3的输入消失，所以直流电压下降，因此在处理步骤S5中向保护电路7进行的通电停止，同时转速也开始下降。此外，保护电路7的通电停止是指，利用图1的开关元件71将电阻51从直流电路203进行解列。

在处理步骤S6中持续观测转速，在处理步骤S7、S8的判断中执行与转速的大小对应的控制。

首先，在处理步骤S7中，以转速未下降至100％为前提而转移到处理步骤S12，之后反复执行处理步骤S4、S5的燃料切断、保护电路7的停止处理。这样，在转速超过100％的情况下，使保护电路7动作，并且切断燃料，控制转速。

在处理步骤S7中确认了转速成为100％以下的情况下，进而在处理步骤S8中确认转速是否为95％以上。如果转速是95～100％的范围，则在处理步骤S9中使燃料成为50％，如果转速是95％以下，则在处理步骤S10中指令燃料100％。

另外，在处理步骤S11中，测量从向保护电路7的通电结束起的时间ΔT，如果保护电路7例如2秒钟不工作，则视为系统事故结束，结束FRT模式。之后如通常那样，将引擎的输出通过下垂控制(droop control)而控制为转速恒定。

图7是示出图6的流程中的电力系统事故发生后的转速和燃料的关系的图，例如成为如下关系：在转速为100％以上的第1阶段st1中设为燃料0％，在转速为100％至95％的范围的第2阶段st2中设为燃料50％，在转速为95％以下的第3阶段st3中设为燃料100％，即转速越低则越增加燃料量。另外，控制后的转速的下降根据情形而发生延迟，但在经过从向保护电路7的通电结束起的时间ΔT之后，转移到由ECU601决定的控制。

此外，在图7的流程中，总而言之通过在交流系统的事故时对直流电路203连接电阻来进行热消耗从而使转换器2继续运转，并且通过切断或者减少燃料来抑制交流励磁发电机3的机械输入和电输出的差分。

在图6中，作为对直流电路203连接电阻的条件，例示了直流电路203的直流电压Vdc的上升，但这能够从由于电力系统的事故发生而产生的现象中适当选择。例如，直接而言是电力系统的电压下降、检测事故的保护继电器的输出等。另外，作为停止或者减少燃料的供给的条件，利用保护电路7的温度超过作为阈值T7的60℃这一现象，但除此以外还能够利用直流电路203的直流电压上升、与保护电路7的动作相伴的温度上升、直流电路203的直流电流上升等现象。此外，在图6的实施例中采用温度是因为，温度是在引擎发电机系统的内部能够探测的信息，不需要用于从外部进行取入的联锁装置(interlock)。

以上，总而言之关于对直流电路203连接电阻的条件、或者减少燃料的供给的条件，从与由于电力系统的事故发生而电力系统的电压下降的情形相伴而附随地发生的现象中适当地选择即可。在本发明中，通过抑制由于在事故发生时对直流电路203连接电阻而引起的能源消耗，并且为了减少引擎以及发电机中的机械输入与电输出的差分而抑制机械输入，从而能够实现事故之后的稳定的继续运转。

图8示出基于图6的控制流程的各部分的状态。在此，例示直流电压95B、转速93B、保护电路温度90D、燃料流量92B、系统事故时的发电端电压81而示出时间变化。

首先，在时刻t0处系统的电压81下降时，作为直流电压Vdc的95B上升，保护电路7开始通电，所以保护电路7的温度如90D那样上升。在保护电路7的温度在时刻t1达到阈值60℃时，通过图6的处理步骤S3的处理使燃料流量92B成为零。其结果，向发电机的轴输入消失，所以直流电压95B和转速93B下降。

通过图6的处理步骤S8中的判断处理，在转速为95％以上且100％以下时，处理步骤S9发挥作用，在时刻t2使燃料成为50％。由此，轴输入超过电输出，所以转速上升。

通过图6的处理步骤S7中的判断处理，在时刻t3处转速超过100％时对保护电路7开始通电(处理步骤S12)，同时缩减燃料(处理步骤S4)。由此，转速下降。反复进行该动作。

在时刻t3以后，在系统电压81恢复时能够对系统输出的能源增加，所以引擎的输出需要恢复到原来。这是在图6的处理步骤S11中测量从保护电路7的最后的通电结束起的时间，如果即使经过例如2秒但保护电路仍不动作，则视为系统事故结束，结束FRT模式。由此，引擎以成为通常的转速恒定控制的方式针对频率进行下垂控制。

此外，在上述例子中，判断保护电路7的温度来控制节流阀，但通过电路7的电流值的时间积分来推测温度这也是容易的，通过测量温度也能够得到同样的效果。

实施例2

图9示出本发明的实施例2所涉及的热电联供系统的结构例。与图1的差别在于，与引擎连接的发电机3B不是交流励磁发电机，而是磁铁励磁发电机。在该情况下，转换器2的变换器容量需要成为与引擎的最大输出相同的容量，另外，发电机的输出全部经过转换器2，所以存在转换器的损失变大的缺点。但是，即使在该情况下，对转换器2进行保护的电路同样地设置有过电流保护电路7。动作与实施例1所示的动作相同。

此外，实施例1、实施例2的发电机3是通过引擎对转子301进行驱动的发电机3，转子301或者定子302中的某一方经由具有直流电路203且进行交流-交流变换的功能的转换器2而与电力系统100连接。此外，转换器2是在2组转换器201、202之间具备直流电路203的转换器。