JP2003092831A - 電力供給システムおよびその運転方法 - Google Patents

電力供給システムおよびその運転方法

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浩 宇佐見
Ryosuke Hata
良輔 畑
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Abstract

(57)【要約】 【課題】商用電力に依存することなく単独で動作し、か
つ信頼性の高い自家発電設備を構築するための電力供給
システムを提供する。 【解決手段】電力負荷1への電力供給経路10に並列に
接続された発電設備2と二次電池設備3を構成要素と
し、電力負荷の消費電力量に対して発電設備の発電電力
量が不足する場合は二次電池設備を構成する二次電池4
に蓄えられた電力を供給し、発電設備の発電電力量が過
剰の場合は二次電池を充電するようにした。電力負荷へ
供給する電力の電圧位相と電流位相の位相差を検出する
ことにより電力負荷の消費電力量と発電設備の発電電力
量の過不足を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は主として自家発電設
備として用いる電力供給システムであり、特に商用電力
を用いることなく単独で電力供給が効率的に行える電力
供給システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】一般に工場や店舗、その他の施設等の電
力負荷への電力供給は、電力会社から電力系統を介して
供給される電力(商用電力)に頼っている。一方で太陽
電池やディーゼル発電機等を用いた発電設備が自家発電
設備として用いられる事も多くなってきた。このような
自家発電設備の目的は、商用電力が停止した場合の非常
用電源とする目的、あるいは商用電力よりも安価な発電
設備による電力を常用電源とする目的であり、商用電力
との併用で用いられている。
【0003】図4はこのような用途の自家発電設備の一
例としてごく基本的な構成例を表したものである。例と
してある事業所内の電力負荷1(例えば工場設備や事務
所設備など)へ電力を供給する場合には、電力系統から
の商用電力を電力供給経路10を介して供給する。ここ
で商用電力の停電等にそなえて事業所内に発電設備2が
置かれ、電力供給経路に並列に接続される。一般的な基
本動作としては、発電設備の出力側にはスイッチが設け
られており、商用電力が供給されている場合には発電設
備を停止あるいは待機状態としておき、商用電力の停電
を検出した場合にスイッチを入れて発電設備からの電力
を電力負荷に供給するように構成される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】商用電力を常用電力と
して単独あるいは自家発電設備と併用して用いている場
合、電力系統に落雷等の事故が発生すると電力負荷に異
常電圧が伝わったり、電力系統の停電事故等により電力
負荷に瞬時電圧低下や停電等の影響が及ぶ。重要な設備
においてはこのような異常を除去する対策がとられる場
合もあるが、完全な除去は困難であり、またコスト増の
要因ともなる。また、自家発電設備により発生した電力
を常用電力として用いる場合、発電設備単独での運用で
は、設備故障時や保守時の電力供給が出来ないため商用
電力との併用となるが、電力会社からの電力購入の取引
は負荷に必要な電力量から自家発電設備によって発電で
きる電力量を差し引いた量を基準に契約しており、自家
発電設備が故障した場合には取引契約を越えた量の電力
を購入する事となって超過料金としての高額な料金を払
う必要もありうる。
【0005】以上の理由から商用電力に頼らずに単独で
動作する自家発電設備が望まれるが、自家発電設備の故
障や運転効率を考慮すると、数100ワットさらには数
キロワットを越えるような実用的な電力設備として十分
な信頼性を確保できる電力供給システムはなかった。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は商用電力の供給
と併用することなく、単独で電力供給が効率的に行える
自家発電設備を提供することを目的とするものであり、
以下の構成をとる。
【0007】電力負荷への電力供給経路に並列に接続さ
れた発電設備と二次電池設備を構成要素とし、電力負荷
の消費電力量に対して発電設備の発電電力量が不足する
場合は二次電池設備を構成する二次電池に蓄えられた電
力を供給し、発電設備の発電電力量が過剰の場合は二次
電池を充電するようにした。
【0008】二次電池とインバータを構成要素として有
する二次電池設備と発電設備を互いに接続すると共に、
それぞれを並列に電力負荷に接続することにより、両設
備から単独にあるいは両設備共に電力負荷への電力供給
が可能となり、または発電設備から二次電池設備への充
電も可能となる。二次電池設備において充電と放電の切
り替えは一般的にはインバータの機能として具える。
【0009】この構成により、商用電力には依存しない
独立した自家発電設備としての電力供給システムが構築
でき、かつ発電設備の故障や瞬時停電時には二次電池に
蓄えられた電力を供給することで信頼性の高いシステム
を構成できるのである。ただし、本自家発電設備全体の
保守や故障時などの通常の運転時以外の状況で、任意の
手段により商用電力を電力負荷に供給する可能性までを
も否定するものでないことはもちろんである。
【0010】ここで、前記電力負荷へ供給する電力の電
圧位相と電流位相の位相差を検出することにより前記電
力負荷の消費電力量と前記発電設備の発電電力量の過不
足を検出するようにできる。
【0011】電圧位相に対して電流位相が遅れている場
合には発電電力量が不足していると判断でき、電圧位相
に対して電流位相が進んでいる場合に発電電力量が過剰
であると判断できる。
【0012】二次電池としてはレドックスフロー型二次
電池を使用することが好ましい。
【0013】レドックスフロー型二次電池は充放電の繰
り返しに対する寿命が鉛電池等の多く使用されている二
次電池に比較して極めて長く、また定格電力に対する蓄
電量の割合である充放電の深度が深く取れるので、この
ような用途に最適である。また、電解液の容量(タンク
容量)の増減によって容易に定格電力を増減できるので
システム設計に際して負荷の増減に容易に対応できると
いう効果もある。
【0014】発電設備はディーゼル発電機を構成要素と
する設備であってもよい。
【0015】ディーゼル発電機は自家発電用の発電機と
して単独で、あるいはコジェネレーションシステムのよ
うな熱電併給システム用設備などして広く用いられてお
り、発電コストや信頼性を考えた場合に好ましい発電設
備である。
【0016】ディーゼル発電機を発電設備の構成要素と
する場合には、当該発電設備を一定の発電電力量になる
ように運転し、電力負荷の消費電力量より発電電力量が
多い場合には二次電池を充電し、電力負荷の消費電力量
より発電電力量が少ない場合には二次電池から放電する
ように切り換える運転方法ことが好ましい。
【0017】ディーゼル発電機は、その装置に定められ
た定格出力で運転することがエネルギー効率の観点から
最適である。よって、負荷の消費電力量に応じて出力を
調整することなく常に定格出力近傍で、目安として10
%程度の変動以下での一定出力で運転をすることが好ま
しい。この場合、余剰電力が生じた場合は二次電池を充
電し、不足電力分は二次電池からの放電によって調節す
れば電力負荷へ供給される電力は必要な消費電力量とす
ることが可能である。レドックスフロー型二次電池は先
に述べたように充放電の繰り返しに対する寿命が長く高
い信頼性を確保出来るので、このような運転方法に適し
ている。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図示
例と共に説明する。図1は本発明の基本構成を示すブロ
ック図である。電力負荷1へは発電設備2からの交流電
力が電力供給経路10を介して供給される。また、二次
電池設備3が発電設備と並列に電力供給経路10に接続
されており、電力負荷1への電力供給が可能であると共
に発電設備2から二次電池設備への充電電力も電力供給
経路10を介して供給される。二次電池設備は二次電池
4と直流交流変換を行うインバータ装置5から構成され
る。二次電池の充電と放電の切り換え制御はインバータ
装置が行う。この切り換えのため、インバータ装置には
発電設備の運転状態が信号伝達経路22を介して入力さ
れ、また電力負荷に供給される電力の位相情報が信号伝
達経路21を介して入力される。位相情報は電力供給系
路上に設けられた電圧および電流検出用のセンサ20で
検出され、出力される。
【0019】発電設備2としては、太陽電池装置、風力
発電装置、水力発電機やガスタービン等火力発電機など
のあらゆる発電装置が利用可能であるが、ここではディ
ーゼル発電機である場合を想定して本システムの運転に
ついて説明する。ディーゼル発電機は発電電力量の調整
を行うことも可能であるが、エネルギー効率の点からは
定格出力として定められた値を出力するように一定出力
運転することが最も効率的である。ここで、一定出力と
はおよそ定格出力に対して10%程度の変動以下である
ことを考える。一方で電力負荷が必要とする消費電力量
は負荷の種類によって様々であるが時間によって変化す
る場合が多い。この様子を図3に表す。図3のグラフの
横軸は時間、縦軸は電力量を示し、発電電力量が一定、
消費電力量が変動している様子を示している。
【0020】ここで、発電電力量が消費電力量を上回っ
た場合、すなわち図3に示すBの領域においては、その
余剰電力を二次電池の充電電力として二次電池設備に供
給する。逆に発電電力量が消費電力量より少ない場合、
すなわち図3のAの領域では、不足分を二次電池設備か
ら供給するようにする。ここでは簡単のためにインバー
タ装置はこのような充電と放電の切り換えや、その判
断、さらに発電設備との供給電力の位相調整などの諸機
能を含む装置と考えるが、システム全体としてそのよう
な機能を持たせれば、必ずしもインバータ装置が担う必
要はない。例えばセンサ20に判断機能まで持たせて、
切り換え信号のみをインバータに出力するような構成も
考えられる。なお、発電設備の発電が停止した場合や、
停止に至らなくても出力低下を起こした場合に、二次電
池設備から必要な消費電力量に対応する電力を供給べき
ことは言うまでもない。
【0021】さて、発電電力量に対する消費電力量の過
不足検出をどのような原理で行うかについて以下説明す
る。図2は電力供給経路で電圧と電流を検出するセンサ
20により検出された電圧波形と電流波形の関係を模式
的に示すものである。図2の(a)(b)(c)はそれ
ぞれ電圧波形と電流波形の組み合わせであり、それぞれ
に横軸である時間を揃えて描かれている。図2(a)は
発電電力量と消費電力量が一致している場合であり、位
相差はほぼ90度である。これに対して(b)では電流
が遅れる向きに位相差が広がっており、消費電力量が発
電電力量を上回っている状態(図3のA領域)である。
逆に(c)は電流が進む向きに位相差が小さくなってお
り、消費電力量が発電電力量より少ない状態(図3のB
領域)と判断できる。そこで、インバータ装置はこのよ
うな位相変化から発電電力量の過不足を検出して、余剰
電力は二次電池の充電に充当し、不足電力は二次電池か
ら供給するように制御するのである。
【0022】以上において二次電池としては、鉛電池や
ナトリウム硫黄電池、レドックスフロー型二次電池など
いろいろな種類が適用可能であるが、レドックスフロー
型二次電池、特に全バナジウムレドックスフロー電池の
適用が好ましい。充放電を小刻みに繰り返しても劣化す
る要素が少なく、寿命の点で高い信頼性を確保出来るか
らである。
【0023】なお、今回開示された実施の形態は全ての
点で例示であって制限的なものではないと考えられるべ
きである。本発明の範囲は上記の説明ではなく特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。
【0024】
【発明の効果】以上、説明したように本発明の電力供給
システムによれば、商用電力に依存することなく単独で
動作し、かつ信頼性の高い、すなわち故障や運転効率を
考慮しても数100ワットから数キロワットを越えるよ
うな電力を供給できる実用的な電力設備が構築し得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】発電設備と二次電池設備を備えた電力供給シス
テムの基本構成を示す図である。
【図2】電力負荷に供給される電圧と電流の位相関係を
説明する図である。
【図3】電力負荷の消費電力量と発電設備の発電電力量
の関係を模式的に説明する図である。
【図4】従来の一般的自家発電設備の構成を示す図であ
る。
【符号の説明】
1 電力負荷 2 発電設備 3 二次電池設備 4 二次電池 5 インバータ装置 10 電力供給経路 20 センサ 21、22 信号伝達経路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5G003 AA07 BA01 CA01 CC07 DA07 DA18 GB06 5G066 HA10 HA15 HB09 JA03 JA04 JA07 JB03 5H590 AA01 BB09 CA07 CA21 CA26 CC01 CD03 CE02 CE05 EA07 EA13 EB02 EB04 EB21 FA05 FA08 FB01 GA02 GA06 HA02 HA04 HA10

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電力負荷への電力供給経路に並列に接
    続された発電設備と二次電池設備を構成要素とし、前記
    電力負荷の消費電力量に対して前記発電設備の発電電力
    量が不足する場合は前記二次電池設備を構成する二次電
    池に蓄えられた電力を供給し、前記発電設備の発電電力
    量が過剰の場合は前記二次電池を充電することを特徴と
    する電力供給システム。
  2. 【請求項2】 前記電力負荷へ供給する電力の電圧位相
    と電流位相の位相差を検出することにより前記電力負荷
    の消費電力量と前記発電設備の発電電力量の過不足を検
    出することを特徴とする請求項1に記載の電力供給シス
    テム。
  3. 【請求項3】 二次電池として、レドックスフロー型二
    次電池を使用することを特徴とする請求項1または請求
    項2に記載の電力供給システム。
  4. 【請求項4】 発電設備はディーゼル発電機を構成要素
    とすることを特徴とする請求項1または2に記載の電力
    供給システム。
  5. 【請求項5】 前記発電設備を一定の発電電力量になる
    ように運転し、前記電力負荷の消費電力量より前記発電
    電力量が多い場合には前記二次電池を充電し、前記電力
    負荷の消費電力量より前記発電電力量が少ない場合には
    前記二次電池から放電するように切り換えることを特徴
    とする請求項4に記載の電力供給システムの運転方法。
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