JP2001268799A

JP2001268799A - 自家発電設備

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Publication number: JP2001268799A
Application number: JP2000081718A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Arita; 浩有田; Satoshi Momo; 聡百々; Kuniyoshi Tsubouchi; 邦良坪内; Ayumi Morita; 歩森田; Takashi Sato; 隆佐藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-03-17
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2001-09-28
Anticipated expiration: 2020-03-17
Also published as: JP3780808B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は発電機能を備えた分散電源設備に関わ
り、特に、ホテル，集合住宅，コンビニ店舗等に電力を
安定的に供給するのに好適な自家発電設備およびその制
御方法を提供する。【解決手段】外部系統との連系装置を有する自家発電設
備において、前記連系装置は、負荷に対して、系統側・
断路状態・自家発側に選択できる切替器を有することで
ある。また、連系装置内の複数の切替器の少なくともひ
とつは、常時、断路状態にしておき、自家発電電力と負
荷電力を検出して、該負荷電力が自家発電電力を超える
ときは、該断路状態の切替器を外部系統へ切り替えるこ
とを特徴とするものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は発電機能を備えた分
散電源設備に関し、安定して電力を供給するのに好適な
自家発電設備に関する。

【０００２】

【従来の技術】分散電源としては、主として、内燃機関
を用いたもの、自然エネルギー（風力発電，太陽光発
電）を用いたものがあり、特に内燃機関を用いて自家発
電による電力と排熱を利用した熱を供給する、いわゆる
コージェネレーション設備としてはこれまでに多数の例
がある。電力と、熱源としての燃料を別個に購入する場
合に比べエネルギー利用率が高く、かつ電力料金と燃料
費を合わせたエネルギー費用を節約できるという利点が
あり、今後も多数の施設で導入が見込まれている。これ
らは電力需要数１００ｋＷ以上、熱需要も数１０万kcal
／ｈ以上という大規模施設であるが、比較的負荷変動の
大きい部門では、負荷需要に対して、どの程度の発電能
力・熱能力を考慮してコージェネレーションシステムを
導入するかが課題となる。また、系統への逆潮流が認め
られる場合は、余剰電力を商用系統へ逆潮流させ、原理
的に発電機を定格出力で一定運転すればよく比較的運用
が簡単であるが、保護継電器等の費用が高くつくのが実
情である。しかしながら、連系系統の状態においては、
逆潮流が認められない場合もあり、この場合には、受電
電力の一定制御等が必要となるため、必ずしも、需要家
側の負荷のすべてをコージェネレーションで補うことが
できなかった。

【０００３】これに対処するため、電力会社との協議を
必要としない系統分離方式が提案されており、例えば、
名古屋大学理工科学研究センター主催のシンポジウム
『21世紀にむけたエネルギー技術・I』p.10-21（1999.
4）に紹介されている。これには、小口産業用として9.8
ｋＷ用のガスエンジンコージェネレーションシステム
において、マルチ切替器による制御方式が提案されてお
り、最大２０Ａの機械式と半導体式スイッチのハイブリ
ットスイッチを複数制御することにより、負荷需要に対
して、コージェネレーションの自家発電と系統からの供
給により対処している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た方式は、スイッチング素子として、１００／２００Ｖ
・２０Ａ（２ｋＶＡ−４ｋＶＡ）の容量しかなく、大容
量となるとスイッチング素子そのものが高価になるた
め、系統分離方式が実現できていないのが実情である。
従って、これまでの自家発電設備では、電力需要の需要
変動に対する利用率が高いものとは言えなかった。

【０００５】本発明の目的は、電力需要の需要変動に対
して、自家発電設備の利用率を高めると共に、安定的し
た電力供給を可能とする自家発電設備を提供することに
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、外部系統との連系装置を有する自家発電設備におい
て、前記連系装置は、負荷に対して、外部系統側・断路
状態・自家発側に選択できる切替器を有することを特徴
とする自家発電設備。

【０００７】また、連系装置内の複数の切替器の少なく
ともひとつは、常時、断路状態にしておき、自家発電電
力と負荷電力を検出して、該負荷電力が自家発電電力を
超えるときは、該断路状態の切替器を外部系統へ切り替
えることを特徴とするものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】本実施例は発電機能を備えた分散
電源設備に関わり、特に、ホテル，集合住宅，コンビニ
店舗等に電力を安定的に供給するのに好適な自家発電設
備およびその制御方法に関するものである。

【０００９】以下、本発明の実施例について図面を用い
て詳細に説明する。図１は本発明の一実施例である自家
発電装置の構成図を示したものである。発電装置は特に
図示していないが、コージェネレーション本体１にある
ものとする。図１内部にある熱交換器（熱回収系統）に
より熱回収された熱エネルギーは、伝熱管１１，循環ポ
ンプ１７を介して、貯湯タンク１２に送られる。１６は
給水管、１８はガス供給管である。さらに、貯湯タンク
１２とボイラ１４は給湯配管１３を介して接続され、給
湯配管１３によって供給される給水（給湯）はボイラ１
４で所定の温度にされてから、最終給湯管１５から外部
に供給される。

【００１０】自家発電装置による発電電力は、連系装置
２を介して複数の需要家負荷３、及び受電遮断器４２，
受電電力量計４１を介して連系されている外部系統４に
供給される。

【００１１】連系装置２は、切替器５，６、電力需要モ
ニター２３，２４、配電遮断器２１で構成され、該切替
器５，６は、各々、系統側端子５１，６１、自家発電側
端子５２，６２、切替スイッチ５３，６３より構成され
る。切替スイッチ位置は、系統側、中間点の断路位置、
自家発側の３箇所があり、制御装置７の指令により、高
速切替が可能となっている。なお、２２は切替器５，６
の連系線である。

【００１２】連系装置２の制御装置７の入出力は、電力
需要モニター２３，２４により、需要家負荷をモニター
する需要家電力信号線７１，７２、切替器５，６（切替
スイッチ５３，６３）の切替制御信号を送信する切替信
号線７３，７４、自家発電装置への発電出力指令を送信
する発電出力指令信号線７５、自家発電装置の発電出力
信号を検出する発電出力信号線７６、外部系統側を電圧
監視モニターする電圧信号線７７により構成されてい
る。基本的には、自家発電設備で発電される発電電力
と、需要家負荷電力との比較により、切替器５，６を選
択的に切り替えることによって、負荷変動の需要変化に
高速に対応することができる。

【００１３】尚、自家発電装置としては、ガソリンエン
ジン，ディーゼルエンジン，ガスエンジン，ケロシンエ
ンジン，ロータリエンジン，ガスタービン，燃料電池を
適用することができる。また、自然エネルギーとして、
太陽光発電，風力発電も含むことができる。実際には、
気候に左右されない常時発電タイプと、自然エネルギー
を利用した発電タイプとのハイブリット自家発電方式が
望ましい。また、常時発電タイプ、自然エネルギーを利
用した発電タイプと、２次電池との貯蔵装置を組み合わ
せたトリプル自家発電方式はさらに良いが、コストとの
兼ね合いで検討すべきものである。

【００１４】このように構成された自家発電装置におい
て、切替器５の切替スイッチ５３は断路位置（系統側端
子５１と自家発側端子５２の中間位置）にあり、切替器
６の切替スイッチ６３は、発電機側端子６２に接続され
ている。常時は、負荷需要電力に比べて、発電出力を少
し多めに発電されている。負荷の電力需要モニター２
３，２４により監視されている負荷需要が急増した場
合、自家発電だけの電力では容量が不足するため、切替
器５の切替スイッチ５３を高速投入する。この投入タイ
ミングは、外部系統側の電圧監視モニターの電圧信号線
７７の値により、電圧零検出して同期投入することが望
ましい。これにより、負荷需要の急増分の電力を、外部
系統４から補うことができる。本実施例の特長は、常
時、切替スイッチ５３が断路位置にあるため、機械式の
スイッチの場合においても投入時間だけの例えば数ｍｓ
の短時間で系統側に切替が可能である。切替器に、半導
体スイッチを用いるなら、数μｓでのさらに短時間の切
替が可能である。

【００１５】短時間の間の負荷急増で、負荷需要電力が
発電電力より減少したならば、切替スイッチ５３を、元
の断路位置へ戻す。この場合、切替スイッチ５３は、負
荷遮断の能力だけで良く、しかも、遮断時間は、数１０
ｍｓの低速タイプのものでも良いので、通常の機械式の
スイッチを採用することができる。一定の時間を監視し
て、負荷需要が減少しない場合は、発電出力指令信号線
７５を介して、自家発電出力の増大を指令する。反対に
負荷の電力需要モニター２３，２４により監視されてい
る負荷需要が急減した場合は、切替スイッチ５３は、状
態を保持したままで負荷需要を監視し、一定の時間を過
ぎても、負荷が元の状態に戻らない場合は、発電出力指
令信号線７５を介して、自家発電出力の減少を指令す
る。このような制御をすることにより、内燃機関を用い
た自家発電の場合、燃料を節約することができ、発電コ
ストを節約することができる。

【００１６】上述したように、本実施例によれば、負荷
需要の増加に対し、自家発電出力が不足する場合におい
て、切替スイッチ５３の系統側への投入と遮断により、
外部系統よりの電力を負荷に対して短時間供給し、その
間に発電出力を適正な発電機出力に制御することができ
る。このため、安定的に負荷に電力を供給することがで
き、しかも発電機の燃料を節約することができる。ま
た、切替スイッチは、高速の電流遮断機能を必要としな
いため、半導体式等の高価格なスイッチを用いずに、大
容量の機械式スイッチを採用することができる。

【００１７】図２は、総客室数１９１のリゾートタイプ
ホテルの１年間の使用電力量の経年変化を示したもので
ある。冬季において、日に約１万ｋＷｈを使用してお
り、夏季のピーク時には、約２万５千ｋＷｈに達してい
る。これを２４時間平均にしても、４００ｋＷ〜１００
０ｋＷになる。冬季の最低と夏季のピーク時との比は、
約２．５倍以上であるので、自家発電装置を導入する場
合にもむやみに大きくできないため、最小限の４００〜
６００ｋＷあたりの設備を持つことになる。さらに使用
電力量の日の時刻別変動もはげしいため、自家発電設備
の発電出力制御が難しくなる。このような背景を元に、
本実施例の発電制御方式を次に示す。

【００１８】図３は、図１に示す制御装置７の詳細図で
ある。自家発電の出力は、負荷パターン設定器８１によ
り、過去の履歴に基づいた季節を考慮した一日の時刻別
負荷パターンが設定されており、自家発電電力は、該パ
ターンにできるだけ近い形で発電される。切替器設定器
８２により、連系装置２内の切替器５（切替器）は、
断路位置に、切替器６（切替器）は自家発側に初期設
定される。比較器８３では、負荷需要電力ＰＬと最小発
電電力（ＰＧ０）との比較が行われ、負荷需要電力ＰＬ
が最小発電電力（ＰＧ０）より小さい時は、５の切替器
を系統側へ投入する（８４）。このとき、自家発電設
備による発電は停止または起動可能な状態に待機させ
る。また、負荷需要電力ＰＬが最小発電電力ＰＧ０より
等しいか大きい場合は、５の切替器を断路位置に戻す
（８５）。さらに、負荷需要ＰＬを監視して、比較器８
６により自家発電の電力ＰＧと負荷需要ＰＬの比較を行
い、自家発電の電力ＰＧが負荷需要ＰＬより大きい場合
は、５の切替器は断路位置の状態を維持する（８
７）。負荷需要ＰＬの電力が自家発電の電力ＰＧと等し
いか大きくなった場合は、５の切替器を系統側に投入
する（８８）。以上の操作を、その日の負荷パターンの
時刻変化に合わせて発電し、しかも負荷需要ＰＬの変動
分は、連系装置２の制御により最適化されている。

【００１９】本実施例では、需要家負荷３に対して自家
発電設備による電力供給が行われる通常運転時には、切
替器は断路位置に維持されると共に、切替器は自家
発電設備側に投入されている。ここで、負荷需要が自家
発電設備の最小発電電力より小さい状態になった場合、
或いは負荷需要が自家発電設備の発電電力以上に電力を
必要となった場合には、切替器の切替スイッチが断路
位置から外部系統４に投入される。このとき、切替器
の切替スイッチ６３は自家発電側端子６２側に投入され
た状態のまま行われる為、需要家負荷に対して安定した
電力供給を行うことが可能となる。

【００２０】以上述べたように、本実施例によれば、発
電設備の出力を負荷の時刻パターンにより制御してお
り、また、負荷需要の変動分は、外部系統へ切り替える
ことにより対処できる。このため必要最小限の自家発電
設備の最大電力を有効に利用することができ、しかも低
負荷需要の場合、料金の安い外部系統からの電力を有効
に利用でき、自家発電の燃料コストを低減する効果があ
る。

【００２１】図４は、コージェネレーションシステムの
内燃機関にガスタービンを使用した例を示した図であ
る。図１と同一機能には、同じ番号で記している。

【００２２】ガスタービン発電機は、ガスタービン１０
５と発電機１０４が連結され、その発電機出力を波形成
形して需要家に商用周波数の交流電力を供給するため
に、電力変換装置１０３，コンデンサ１０２，電力変換
装置１０１，発電機用遮断器１０７より構成されてい
る。連系装置２の制御を含む発電機制御装置１００は、
負荷需要電力信号線７１，７２、切替器５，６の切替信
号線７３，７４、電力変換装置の出力制御線１０９，発
電機出力モニター１０６の発電出力信号線１０８，燃料
の発電機出力信号線７５，７６、発電出力指令信号線７
８、外部系統側の電圧信号線７７の入出力機能と、その
発電機出力調整機能を有している。

【００２３】このような構成において、短時間の間の負
荷急増，負荷減少等の制御動作は、図１と同じである。
しかしながら、図４の構成の場合、自家発電機の出力制
御を、電力変換装置１０１で高速に制御できるのが特長
である。すなわち、需要家負荷３で、短絡事故等が発生
した場合、通常、配電遮断器で、過電流を検出して遮断
するのが通常であるが、遮断には、約１００ｍｓ以上時
間がかかる。本構成の場合、過電流を検出すると、発電
機制御装置１００から、１０９の出力制御線にゲートブ
ロック信号を出して、発電機出力を数ｍｓ以内の短時間
に停止することができる。このため、短絡電流による負
荷機器の損傷を少なくする効果がある。

【００２４】また、切替器６のスイッチの位置を変更す
る場合、例えば、切替スイッチ６３を自家発側端子６２
から、断路位置にする場合、負荷電流を遮断する必要が
ある。この場合、電力変換装置１０１をゲートブロック
して、電力を短時間（最大でも商用周波数の１サイク
ル）停止し、その間に、切替スイッチ６３を、無アーク
で、自家発側端子６２から、断路位置へ変更することが
できる。この機能により、複数の切替器５，６がある場
合、ひとつの切替器の動作が偏るのではなく、途中で、
切替動作を変更することにより、切替器の寿命を平均化
して、長寿命の信頼性ある連系装置２を提供することが
できる。

【００２５】なお、図４では、発電設備として１０５に
タービンを使用した例であるが、自然エネルギーである
風車を利用した風力発電方式でも、同様の構成となる。

【００２６】図５は、本発明の他の実施例である自家発
電を用いたシステム構成を示す。２１１は図４で示した
内燃機関を用いた発電機（例えばガスタービン発電
機）、２１２は風力発電機、２１３は太陽光発電機、２
１４は２次電池を用いた電力貯蔵装置、２０５は、燃料
電池発電機を示す。２０１，２０２，２０３，２０４，
２０５は２１１〜２１５の各制御装置の子機であり、シ
ステム制御装置２００とは、２２１〜２２５の制御線で
連系されている。本システムは、常時発電できる２１１
の内燃機関発電機・２１５の燃料電池発電機と、自然エ
ネルギーを用いる風力発電機２１２・太陽光発電機２１
３と、各発電機からの出力を平準化及び、貯蔵する役目
の電力貯蔵装置２１４が、総合的に運転できるシステム
となっている。風力発電機・太陽光発電機は、気象環境
に左右されるため発電出力は、変動し易いが、この変動
分を吸収して、安定的に電力を出力するために、電力貯
蔵装置２１５による制御が必要となる。また、夜間等の
電力消費がベースロードだけの少ない時には、２１５の
燃料電池発電機だけの運転で可能となる。本構成システ
ムの複数の発電機と貯蔵装置を用いることにより、負荷
３の需要をまかない、低ランニングコストが可能とな
る。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、電力需要の需要変動に
対して、自家発電設備の利用率を高めると共に、安定し
た電力供給を可能とする自家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】本発明の一実施例である自家発電装置の構成
図。

【図２】使用電力量の一例を示す図。

【図３】本実施例の制御装置の詳細図。

【図４】内燃機関発電機を用いた本発明の一実施例図。

【図５】複数の発電機・貯蔵装置を用いた本実施例のシ
ステム図。

【符号の説明】

１…コージェネレーション本体、２…連系装置、５，６
…切替器、５１，６１…系統側端子、５２，６２…自家
発側端子、５３，６３…切替スイッチ、２１…配電遮断
器、２２…連系線、２３，２４…電力需要モニター、７
…連系装置の制御装置、７１，７２…需要家電力信号
線、７３，７４…切替信号線、７５…発電出力指令信号
線、７６…発電出力信号線、７７…電圧監視モニターの
電圧信号線、８１…負荷パターン設定器、８２…切替器
設定器、８３，８６…比較器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者坪内邦良茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者森田歩茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者佐藤隆茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発研究所内Ｆターム(参考） 5G066 HA06 HA30 HB02 HB06 HB07 HB09 JA07 JB03 5H590 AA11 AB11 BB09 CA14 CA21 CA26 CE01 EA07 FC25 GB07 HA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外部系統との連系装置を有する自家発電設
備において、前記連系装置は、需要家負荷に対して外部系統側，自家
発電設備側、或いは断路状態に選択可能な切替器を備え
たことを特徴とする自家発電設備。
【請求項２】外部系統と電力需要家とに対して連系装置
を介して接続される自家発電設備において、前記連系装
置は、前記電力需要家側が外部系統側，自家発電設備
側、或いは断路状態に選択可能な切替器を備えたことを
特徴とする自家発電設備。
【請求項３】外部系統および電力需要家とに連系装置を
介して接続される自家発電設備において、前記連系装置
は第１の切替器および第２の切替器を備えたものであっ
て、該第１および第２の切替器は、前記電力需要家側が
外部系統側接続状態，断路状態、或いは自家発電設備側
接続状態を選択可能な手段を夫々有することを特徴とす
る自家発電設備。
【請求項４】外部系統との連系装置を有する自家発電設
備において、前記連系装置は、需要家負荷に対して外部系統側，自家
発電設備側、或いは断路状態に選択可能な切替器を複数
有するものであって、自家発電電力と需要家の負荷電力
とを比較して、前記負荷電力が自家発電電力を超える場
合に、少なくとも一つが断路状態に維持される切替器を
外部系統に切り替える制御装置を備えたことを特徴とす
る自家発電設備。
【請求項５】外部系統との連系装置を有する自家発電設
備において、前記連系装置は、需要家負荷に対して外部系統側，自家
発電設備側、或いは断路状態に選択可能な切替器を複数
有するものであって、該切替器の少なくとも一つは通常
自家発電設備側に接続させると共に、少なくとも一つの
切替器を断路状態に維持し、自家発電電力と需要家の負
荷電力とを比較して、前記負荷電力が自家発電電力を超
える場合に、前記断路状態に維持された切替器を外部系
統に切り替え、前記負荷電力が自家発電電力より減少し
た場合に、前記外部系統に切り替えられた切替器を断路
状態に戻す制御装置を備えたことを特徴とする自家発電
設備。
【請求項６】前記切替器は、機械式切替器，半導体式切
替器、あるいは、機械式と半導体式のハイブリット切替
器であることを特徴とする請求項１から５の何れかに記
載の自家発電設備。
【請求項７】前記自家発電設備は、内燃機関を用いた発
電機，風力発電機，太陽光発電機、または燃料電池発電
機の何れか１つ、或いはこれらを組み合わせたものであ
ることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の自
家発電設備。
【請求項８】前記自家発電設備は、発電機によって発電
された電力を貯蔵する電力貯蔵装置が備えられたことを
特徴とする請求項１から５の何れかに記載の自家発電設
備。
【請求項９】半導体スイッチを利用した電力変換器を備
え、外部系統との連系装置を有する自家発電設備におい
て、前記連系装置は、負荷に対して外部系統側，断路状態，
自家発電設備側に選択できる切替器を有し、該切替器は
前記電力変換器が出力を停止している期間に、切替動作
されるものであることを特徴とする自家発電設備。
【請求項１０】外部系統との連系装置を有する自家発電
設備の運転方法において、前記連系装置は、需要家負荷に対して外部系統側，自家
発電設備側、或いは断路状態に選択可能な切替器を複数
有するものであって、該切替器の少なくとも一つは通常
自家発電設備側に接続させると共に、少なくとも一つの
切替器を断路状態に維持し、自家発電電力と需要家の負
荷電力とを比較して、前記負荷電力が自家発電電力を超
える場合に、前記断路状態に維持された切替器を外部系
統に切り替え、前記負荷電力が自家発電電力より減少し
た場合に、前記外部系統に切り替えられた切替器を断路
状態に戻すことを特徴とする自家発電設備の運転方法。