JP2001136681A - 発電設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 化石燃料に極力頼らず、安価に発電して安定
な電力供給が行え、しかも、保守が容易な発電設備を提
供する。 【解決手段】 設置環境の自然エネルギを利用する太陽
光発電装置，風力発電装置等からなり，自然エネルギを
交流電力に変換して配電線１０に供給する主発電装置１
と、化石燃料により運転される発電機からなり，発電装
置１の出力が不足する毎に起動されて発電装置１の出力
が回復するまで運転され，発電した交流電力を配電線１
０に供給する補助発電装置１４と、この発電装置１４の
起動過渡期間の電力補償エネルギを保持するキャパシタ
１７と、双方向コンバータからなり，前記起動過渡期間
はインバータ運転により電力補償エネルギを交流電力に
変換して配電線１０に供給し，発電装置１の出力が回復
した後はコンバータ運転により配電線１０の交流電力を
充電用の直流電力に変換してキャパシタ１７に供給する
充放電制御部１８とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主に離島や山間部
などの地域給電に用いられる発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、既存の商用電源の配電網から離れ
た離島や山間部等のいわゆる僻地にあっては、その地域
の電力需要を賄うため、商用電源の配電網から独立した
発電設備を現地に設置する場合がある。

【０００３】この場合、発電設備は、給電の安定性等を
考慮してディーゼルエンジン発電機等の化石燃料（主に
石油）で運転される発電機により形成され、この発電機
を常時運転して必要な電力を配電線に供給する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記従来のこの種の発
電設備の場合、多量の化石燃料を要することから、燃料
コストがかさみ、発電コストが極めて高くなる問題点が
ある。

【０００５】ところで、この種の発電設備にあっては、
発電コストの低廉化が重要であるのは勿論、安定な電力
供給が行えるようにすること及び保守が容易に行えるよ
うにすることも重要である。

【０００６】本発明は、前記の諸点に留意してなされた
ものであり、化石燃料に極力頼らず、安価に発電して安
定な電力供給が行え、しかも、保守が容易な発電設備を
提供することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、本発明の発電設備においては、設置環境の自然エ
ネルギを利用する太陽光発電装置，風力発電機等からな
り，自然エネルギを交流電力に変換して配電線に供給す
る主発電装置と、化石燃料により運転される発電機から
なり，主発電装置の出力が不足する毎に起動されて主発
電装置の出力が回復するまで運転され，発電した交流電
力を配電線に供給する補助発電装置と、この補助発電装
置の起動過渡期間の電力補償エネルギを保持するキャパ
シタと、双方向コンバータからなり，起動過渡期間はイ
ンバータ運転によりキャパシタの電力補償エネルギを交
流電力に変換して配電線に供給し，主発電装置の出力が
回復した後はコンバータ運転により配電線の交流電力を
充電用の直流電力に変換してキャパシタに供給する充放
電制御部とを備える。

【０００８】したがって、主発電装置により、その地域
の太陽光エネルギ，風力エネルギ等の自然エネルギを利
用して交流電力が形成され、この交流電力が配電線に給
電される。

【０００９】そして、自然エネルギが十分に大きけれ
ば、主発電装置の出力のみでその地域の電力需要が賄わ
れる。

【００１０】つぎに、気象の変化等によって主発電装置
の出力が低下し、この装置の出力のみでは電力需要を賄
えなくなると、補助発電装置が起動されるとともに充放
電制御部の双方向のコンバータがインバータ運転され
る。

【００１１】そして、補助発電装置の起動過渡期間に
は、充放電制御部によりキャパシタの電力補償エネルギ
が交流電力に変換され、この交流電力が配電線に供給さ
れて電力不足が補われる。

【００１２】さらに、補助発電装置の出力が安定する
と、その交流電力が配電線に供給され、この電力で電力
需要が賄われる。

【００１３】その後、充放電制御部の双方向コンバータ
がコンバータ運転に切換わり、配電線の交流電力の一部
が充電用の直流電力に変換され、この直流電力によって
キャパシタが元の状態に充電される。

【００１４】そして、天候の回復等によって主発電装置
の出力が回復すると、補助発電装置の運転を停止し、再
び主発電装置の出力で電力需要が賄われる。

【００１５】この場合、常時は、主発電装置により、そ
の地域の太陽光エネルギ，風力エネルギ等の自然エネル
ギを利用して配電線に電力を供給し、主発電装置の出力
が不足する間だけ、化石燃料により補助発電装置を運転
してその発電出力を配電線に供給するため、化石燃料に
極力頼らずに配電線に必要な電力を供給することがで
き、極めて安価に発電して電力供給することができる。

【００１６】しかも、補助発電装置の起動過渡期間に
は、充放電制御部のインバータ運転により、キャパシタ
の電力補償エネルギを利用して安定な電力供給が維持さ
れる。

【００１７】そして、キャパシタは主発電装置の出力が
回復した後に、充放電制御部のコンバータ運転により、
配電線の電力を利用して充電される。

【００１８】そのため、主発電装置の出力が低下する毎
に補助発電装置を起動して安定に必要な電力を供給する
ことができる。

【００１９】その上、キャパシタは蓄電池のような充放
電のくり返しによる劣化がほとんどなく、ほぼ半永久的
に使用することができ、その取換え等が不要で保守も極
めて容易である。

【００２０】したがって、化石燃料に極力頼らず、安価
に発電し、安定な電力供給を行うことができ、しかも、
保守も極めて容易に行うことができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】つぎに、本発明の実施の形態につ
いて、図１〜図３を参照して説明する。 （１形態）まず、主発電装置を太陽光発電装置により形
成した本発明の実施の１形態につき、図１，図２を参照
して説明する。図１に示すように、主発電装置１は太陽
光発電装置により形成され、その太陽電池パネル２の直
流電力が電圧型のインバータ主回路３に供給される。

【００２２】この主回路３は太陽電池パネル２から最大
電力を取出して商用電源周波数の交流電力に変換するた
め、例えば、電力用スイッチング半導体をブリッジ接続
して形成された入力側の高周波インバータ３ａ及び低周
波インバータ３ｂからなる。

【００２３】また、太陽電池パネル２の直流出力の電
流，電圧が主回路３の直流入力側の計器用変流器４，計
器用変圧器５により計測され、主回路３の交流出力の電
流，電圧がその交流出力側の計器用変流器６，計器用変
圧器７により計測され、これらの計測信号がインバータ
制御回路８に供給される。

【００２４】そして、制御回路８は太陽電池パネル２の
直流出力の電流，電圧の計測結果に基づき、いわゆる最
大電力点追尾制御（Ｐｍａｘ制御）により、太陽電池パ
ネル２から常に最大電力を取出すように高周波インバー
タ３ａのスイッチングを制御する。

【００２５】この制御で得られた高周波インバータ３ａ
の出力が低周波インバータ３ｂにより商用電源周波数の
交流電力に変換され、この交流電力が主回路３から遮断
器９を介して配電線１０に供給され、配電線１０の負荷
１１に給電される。

【００２６】そして、制御回路８は設備全体を制御する
主制御装置１２から動作基準の基準信号（クロック信
号）が供給され、この基準信号及び主回路３の交流出力
の電流，電圧の計測結果に基づき、主回路３の交流出力
が基準信号に同期した商用電源周波数の定格電圧になる
ように、低周波インバータ３ｂのスイッチングを制御す
る。

【００２７】ところで、前記基準信号は、配電線１０に
接続された計器用変圧器１３の計測信号により、主制御
装置１２が内部の電圧制御発振器（図示せず）の位相を
制御して形成し、配電線１０の電圧に同期する。

【００２８】また、制御回路８に取込まれた計器用変流
器４，６及び計器用変圧器５，７の計測信号は、主制御
装置１２にも送られる。

【００２９】そして、主制御装置１２はマイクロコンピ
ュータにより図２の給電制御プログラムを実行し、ステ
ップＳ₁ により遮断器９を投入して主発電装置１を配電
線１０に接続し、配電線１０への電力供給を開始する
と、計器用変流器４，計器用変圧器５の計測信号により
太陽電池パネル２の出力（発電量）を監視するととも
に、計器用変流器６，計器用変圧器７の計測信号により
主回路３の出力を監視する。

【００３０】太陽電池パネル２は配電線１０の電力需要
を賄える容量に設定され、晴天の昼間等の日射が十分に
あるときは、主発電装置１の出力のみで配電線１０の電
力需要を賄うことができる。

【００３１】しかし、雲が発生して日射が不足したり、
夜間になったりすると、太陽電池パネル２の出力が低下
又は消失し、主発電装置１の出力が不足してこの出力の
みでは配電線１０の電力需要を賄うことができなくな
る。

【００３２】そして、主回路３の出力電圧が設定した時
間継続して所定の下限電圧以下になり、主制御装置１２
が主発電装置１の出力不足を検出すると、補助発電装置
１４を連系運転してこの発電装置１４からも配電線１０
に給電する。

【００３３】ところで、補助発電装置１４は化石燃料に
より運転されるディーゼルエンジン発電機１５からな
り、この発電機１５は配電線１０の電力需要を賄う容量
に設定され、起動に数秒程度かかる。

【００３４】そのため、この数秒程度の補助発電装置１
４の起動過渡期間は、過渡補償電源１６のキャパシタ１
７に保持された電力補償エネルギを利用して配電線１０
の給電不足を補う。

【００３５】キャパシタ１７は、大容量の電気二重層キ
ャパシタ等からなり、このキャパシタ１７を充放電する
ため、過渡補償電源１６は双方向コンバータからなる充
放電制御部１８を備える。

【００３６】この制御部１８は電力用スイッチング半導
体のブリッジ回路からなるコンバータ主回路１９及びそ
の駆動制御用のコンバータ制御回路２０を有し、主回路
１９の直流側は放電路スイッチ２１，充電路ダイオード
２２の並列回路を介してキャパシタ１７に接続され、交
流側は遮断器２３を介して配電線１０に接続される。

【００３７】そして、ステップＳ₂ により主発電装置１
の出力不足を検出すると、主制御装置１２は、ステップ
Ｓ₃ により制御回路２０に過渡補償給電のインバータ運
転を指令するとともに、放電路スイッチ２１及び遮断器
２２を投入し、制御回路２０により主制御装置１２の基
準信号に同期して主回路１９を定電圧出力制御でインバ
ータ運転し、キャパシタ１７の電力補償エネルギを直ち
に主発電装置１の出力に同期した商用電源周波数の定格
電圧の交流電力に変換し、この定電圧制御された交流電
力を配電線１０に供給し、補助発電装置１４の起動過渡
期間の電力不足を補う。

【００３８】なお、制御回路２０は主回路１９の直流側
の計器用変圧器２４，計器用変流器２５及び交流側の計
器用変流器２６，計器用変圧器２７の計測信号を取込
み、主回路１９の入，出力を監視してその出力電圧を定
電圧制御するとともに、取込んだ計測信号を主制御装置
１２に送る。

【００３９】一方、補助発電装置１４は発電機１５の運
転を制御する発電機制御回路２８を有し、発電機１５は
遮断器２９を介して配電線１０に接続されている。

【００４０】そして、ステップＳ_４により主制御装置１
２が制御回路２８に発電機１５の起動を指令し、過渡補
償電源１６から配電線１０に給電される数秒程度の間
に、制御回路２８により、計器用変流器３０，計器用変
圧器３１の計測信号によって発電機１５の出力の電流，
電圧を監視しながら、主制御装置１２から供給された基
準信号に基づき、発電機１５を主発電装置１の出力に同
期した商用電源周波数の定格電圧の交流電力の出力状態
に制御する。

【００４１】この制御によって発電機１５が安定に定格
電圧の交流を出力するようになると、ステップＳ₄から
ステップＳ₅を介してステップＳ₆ に移行し、遮断器２
９を投入して補助発電装置１４を主発電装置１に連系運
転し、その出力を配電線１０に供給して配電線１０の電
力需要を賄う。

【００４２】また、補助発電装置１４が連系運転される
と、ステップＳ₇ により、放電路スイッチ２１，遮断器
２３を開放して充放電制御部２０に運転停止を指定し、
過渡補償電源１６からの給電を停止する。

【００４３】そして、雲が消失したり、夜明けになった
りして太陽電池パネル２が再び十分な日射を受けるよう
になり、主発電装置１の出力が回復してその出力で電力
需要を賄えるようになると、キャパシタ１７を充電して
補助発電装置１４の運転を停止するため、ステップＳ₈
からステップＳ₉に移行する。

【００４４】このとき、計器用変圧器２４の計測信号に
基づき、主制御装置１２はキャパシタ１７が放電状態で
あることを検出し、ステップＳ₉ ，Ｓ₁₀のループ制御に
より、遮断器２３を投入して制御回路２０に定電流充電
のコンバータ運転を指令する。

【００４５】この指令に基づき、充放電制御部１８の主
回路１９はコンバータ運転され、配電線１０の交流電力
の一部を定電流制御された充電用の直流電力に変換して
キャパシタ１７に供給し、充電路ダイオード２２を介し
た定電流の充電電流によりキャパシタ１７を充電する。

【００４６】そして、キャパシタ１７が満充電状態にな
ると、ステップＳ_９からステップＳ _１１に移行し、ステ
ップＳ₁₂により遮断器２９を開放して補助発電装置１４
の制御回路２８に運転停止を指令し、補助発電装置１４
を解列して発電機１５の運転を停止する。

【００４７】また、ステップＳ₁₃により充放電制御部１
８の主回路１９を定電圧制御のコンバータ運転に切換
え、キャパシタ１７を、過充電を防止して満充電状態に
維持する。

【００４８】そして、主発電装置１の出力が再び不足す
ると、ステップＳ₂からステップＳ₃に移行して前記と同
様の動作をくり返す。

【００４９】この場合、通常は主発電装置１により設置
環境の自然エネルギの１つである太陽光エネルギを利用
して電力供給が行われ、気象変化等によって主発電装置
１の出力が低下し、この発電装置１の出力だけでは電力
需要を賄えなくなったときにのみ、化石燃料で補助発電
装置１４を運転してこの発電装置１４から電力供給する
ため、化石燃料の使用が極めて少なく、燃料コストを大
幅に低減し、極めて安価に電力供給を行うことができ
る。

【００５０】また、補助発電装置１４の起動過渡期間
（数秒程度）には、過渡補償電源１６の充放電制御部１
８をインバータ運転し、キャパシタ１７に保持した電力
補償エネルギに基づく交流電力を配電線１０に供給し、
その電力不足を防止するため、前記起動過渡期間にも安
定に供給することができ、不安定な自然エネルギを利用
して安定な電力供給が実現する。

【００５１】そして、過渡補償エネルギをキャパシタ１
７に保持したため、このエネルギを鉛蓄電池（２次電
池）を用いて保持する場合に比し、つぎのような利点が
ある。

【００５２】すなわち、補助発電装置１４は、通常、気
象変化等に応じて１日に何度も発停をくり返す。

【００５３】そして、蓄電池を用いた場合、その都度、
蓄電池の放電と回復帰電とを行うと、蓄電池の充放電が
化学的変化を伴い、数百回〜千回程度の充放電のくり返
しによってその寿命が尽きることから、度々蓄電池を点
検して取換えたりする必要がある。

【００５４】そのため、蓄電池を用いた場合は、煩雑な
保守作業を要するとともに発電コストの上昇を招来す
る。

【００５５】一方、蓄電池の代わりにキャパシタ１７を
用いた場合は、キャパシタ１７の充放電が化学的変化を
伴わないため、その充放電を１日に何度くり返しても、
キャパシタ１７の特性はほとんど変化せず、キャパシタ
１７はほぼ半永久的に使用することができる。

【００５６】そのため、キャパシタ１７の取換えが不要
で保守作業が簡素化し、発電コストが上昇することもな
い。

【００５７】そして、太陽電池パネル２に２ＫＷの太陽
電池を使用し、主発電装置１を容量２ＫＷの太陽光発電
装置とし、補助発電装置１４も同等容量以上のディーゼ
ルエンジン発電装置とし、キャパシタ１７を図１に示し
たように、４８Ｖ，２Ｆの電気二重層キャパシタ１７’
の２個の並列接続回路を３組直列に接続して形成し、負
荷１１を１．２ＫＷのエアコンディショナとして１年間
運用したところ、その間、安定な電力供給を継続するこ
とができた。

【００５８】また、補助発電装置１４が起動される毎
に、約２秒程度の起動過渡期間、キャパシタ１７のエネ
ルギを利用して電力供給の不足が補われ、このキャパシ
タ１７は、１年後の容量が初期容量の９５％もあり、ほ
とんど変化しないことが確かめられた。

【００５９】これに対して、キャパシタ１７の代わり
に、１２Ｖ，１Ａｈの鉛蓄電池を１２個直列接続して形
成した蓄電池を用いた場合は、前記と同じ条件で運用し
たところ、約９月で蓄電池の容量が大幅に低下し、補助
発電装置１４の起動毎に給電不足が発生して配電線１０
の電圧が低下変動し、蓄電池の交換が必要になった。

【００６０】したがって、キャパシタ１７を用いた前記
図１の発電設備においては、化石燃料に極力頼らず、安
価に発電して安定な給電を行うことができ、しかも、キ
ャパシタ１７を半永久的に使用することができるため、
その保守が容易であり、その上、環境面からも優れ、離
島や山間部での電力供給に極めて好適である。

【００６１】（他の形態）つぎに、主発電装置を風力発
電装置とした他の実施の形態について、図３を参照して
説明する。図３において、図１と同一符号は同一もしく
は相当するものを示し、この形態にあっては、図３の太
陽光発電装置の主発電装置１の代わりに風力発電装置の
主発電装置１’を備える。

【００６２】この主発電装置１’は、風車３２，誘導発
電機３３が形成する風力発電機３４を備え、この発電機
３４の交流出力をコンバータ３５により直流に変換した
後、インバータ３６により商用電源周波数の交流電力に
変換し、この交流電力を遮断器３７を介して配電線１０
に供給する。

【００６３】また、発電機３４の出力は計器用変流器３
８，計器用変圧器３９により計測し、インバータ３６の
出力は計器用変流器４０，計器用変圧器４１により計測
する。

【００６４】そして、これらの計測信号は風力発電制御
回路４２に取込まれて主制御装置１２に送られ、制御回
路４２は発電機３４及びインバータ３６の出力を監視し
ながらそれらの運転を制御し、インバータ３６の出力を
主制御装置１２から供給された基準信号に同期した商用
電源周波数の定電圧出力に制御する。

【００６５】したがって、この形態の場合は、設置環境
の風力エネルギを利用して前記１形態の場合と同様の効
果を得ることができる。

【００６６】なお、キャパシタ１７のエネルギを一層効
果的に利用するため、風力が弱いときに、キャパシタ１
７のエネルギを利用して誘導発電機３３に励磁電流を供
給し、風車３２の回転速度の低下を防止するようにして
もよい。

【００６７】また、前記両実施の形態において、発電装
置１，１’，１４やキャパシタ１７の容量等は配電線１
０の電力需要等に応じて適当に設定すればよい。

【００６８】そして、主発電装置は、設置環境の自然エ
ネルギを利用する種々の発電装置，例えば、潮力発電装
置や波力発電装置，地熱発電装置等であってもよく、さ
らには、各種の自然エネルギを利用する複数種類の発電
装置により形成してもよい。

【００６９】

【発明の効果】本発明は、以下に記載する効果を奏す
る。常時は、主発電装置１，１’により、その地域の太
陽光エネルギ，風力エネルギ等の自然エネルギを利用し
て配電線１０に電力を供給し、主発電装置１，１’の出
力が不足する間だけ、化石燃料により補助発電装置１４
を運転してその出力を配電線１０に供給したため、化石
燃料に極力頼らずに配電線１０に必要な電力を供給する
ことができ、極めて安価に発電して電力供給することが
できる。

【００７０】しかも、補助発電装置１４の起動過渡期間
には、充放電制御部１８のインバータ運転により、キャ
パシタ１７の電力補償エネルギを利用して安定な電力供
給を維持することができる。

【００７１】そして、キャパシタ１７は主発電装置１，
１’の出力が回復した後に、充放電制御部１８のコンバ
ータ運転により、配電線１０の電力を利用して充電さ
れ、主発電装置１，１’の出力が低下する毎に補助発電
装置１４を起動しても安定に必要な電力を供給すること
ができる。

【００７２】その上、キャパシタ１７は蓄電池のような
充放電のくり返しによる劣化がほとんどなく、ほぼ半永
久的に使用することができ、その取換え等が不要で保守
も極めて容易である。

【００７３】したがって、化石燃料に極力頼らず安価に
発電し、安定な電力供給を行うことができ、しかも、保
守も極めて容易に行うことができ、その上、環境面から
も優れ、離島や山間部での電力供給に好適な新規な発電
設備を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の１形態のブロック結線図であ
る。

【図２】図１の動作説明用のフローチャートである。

【図３】本発明の実施の他の形態のブロック結線図であ
る。

【符号の説明】

１，１’ 主発電装置 １０ 配電線 １４ 補助発電装置 １７ キャパシタ １８ 充放電制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｊ 7/35 Ｈ０２Ｊ 7/35 Ｋ 9/06 ５０４ 9/06 ５０４Ｂ ５０５ ５０５Ｃ Ｆターム(参考） 5G003 AA06 BA01 CA02 CA11 CC02 DA07 DA15 DA18 GB03 GB06 GC05 5G015 FA08 GA11 GA17 HA12 HA16 JA11 JA23 JA34 JA35 JA60 JA66 5G066 HA15 HB02 HB03 HB06 JA02 JA05 JB04

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 既存の商用電源の配電網から離れた離島
   や山間部等に設置される発電設備において、 設置環境の自然エネルギを利用する太陽光発電装置，風
   力発電装置等からなり，前記自然エネルギを交流電力に
   変換して配電線に供給する主発電装置と、 化石燃料により運転される発電機からなり，前記主発電
   装置の出力が不足する毎に起動されて前記主発電装置の
   出力が回復するまで運転され，発電した交流電力を前記
   配電線に供給する補助発電装置と、 前記補助発電装置の起動過渡期間の電力補償エネルギを
   保持するキャパシタと、 双方向コンバータからなり，前記起動過渡期間はインバ
   ータ運転により前記電力補償エネルギを交流電力に変換
   して前記配電線に供給し，前記主発電装置の出力が回復
   した後はコンバータ運転により前記配電線の交流電力を
   充電用の直流電力に変換して前記キャパシタに供給する
   充放電制御部とを備えたことを特徴とする発電設備。