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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、系統に始動電流が発生しても安定な電力を出力する発電装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、自家用発電装置としては、太陽光発電機、風力発電機、ガソリンエンジン発電機、ディーゼルエンジン発電機、ガスエンジン発電機、マイクロタービン発電機などが実用されている。マイクロタービン発電機は、タービンが数万から10数万回転/毎分の高速回転で駆動され高周波電力を発電し、この高周波電力をコンバータで整流して直流電力に変換し、この直流電力をインバータで商用周波数の50Hzもしくは60Hzに、商用電圧の100vに変換して系統へ供給している。また、系統に電力が出力されない停電の場合、自家用発電装置起動用電源は、発電装置内の上記コンバータとインバータの間の直流電力が発生する端子部分に蓄電池を接続し、この蓄電池の出力電圧をマイクロタービン起動用電源として使用し、自家用発電装置を起動し、正常運転中に蓄電池に充電して待機するシステムである。
【0003】
この蓄電池は、系統に電力が発生しないブラックアウト状態での発電装置起動用として接続されているため、発電装置が定常状態の運転中に突然のモータ負荷起動などにより系統に始動電流が発生した場合、急速放電するための応答が遅く系統電力が変化し、安定した系統電力の供給に対応できず不向きである。この蓄電池は、一般的に鉛蓄電池などが使用されており系統の電圧安定化として改善が望まれている。特に、始動電流の発生は、例えば系統にエアコン、冷蔵庫、掃除機、エレベータ、レントゲンなどが接続されている場合、モータ起動時のラッシュカーレントによりこの瞬間のみ異常に高い消費電力の増加が系統に発生する。鉛蓄電池は、応答が遅く安定した電力補償ができないし、充放電回数が200〜1000回程度で電極の劣化が始まり、蓄電電圧が劣化し、2〜3年で交換する必要があり、短寿命であった。
【0004】
また、独立電力系統の分散電源発電装置においては、系統内の負荷変動を吸収するために負荷変動の最大ポイントをカバーできる大きな発電容量の発電機が使用されている。即ち、モータ負荷がある場合の発電装置は、そのモータの起動時に作用する定格時の数倍の大きさの起動電流までをもカバーできるような大きな発電容量のものを設置する必要があった。このように、瞬時に発生する始動電流のために発電装置は、始動電流に対応できる発電容量が大きなものを設備する必要があった。始動電流も吸収する大きな容量の発電装置の設備は、一番運転時間の長い定常運転時に発電装置能力の数分の1の部分負荷で運転させており、発電装置の稼動効率が極めて悪く、瞬間に発生するだけの始動電流のために、発電装置の大きさも大きくなり、燃料消費量も増大し、設備投資額が高価になっていた。
【0005】
他方、定常運転時の負荷容量をベースに発電設備の容量を設定した場合には、系統内の負荷変動、例えばモータを起動した場合の始動電流をカバーできずに発電装置自身がトリップしてしまうことになる。
【0006】
さらに、安定して電力を供給する電源装置としては、蓄電装置に電気二重層キャパシタを並列接続することにより、負荷変動や停電などが発生したとき、最初電気二重層キャパシタから放電し、続いて蓄電装置から給電して安定して電力を供給する装置が提案されている(例えば特許文献1。)。
【0007】
さらに、安定して電力を供給する電源装置としては、ガスエンジンの発電電力出力線に電気二重層コンデンサユニットを接続し、発電電力の余剰分を電気二重層コンデンサユニットに急速に充電して逆潮流の発生を防止する装置が提案されている(例えば特許文献2。)。
【0008】
【特許文献1】
特開2002−34179号公報([0027]、図1)。
【特許文献2】
特開平7−231570号公報([0029]、図1)。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1には、商用交流電源負荷の変動や停電が発生したときに蓄電装置や電気二重層キャパシタから電力を供給して電力を安定に供給することが記載されたもので、自家用発電機と商用交流電源との共用電源における、系統電力の安定化や、瞬時に発生する始動電流対策や自家用発電機の起動などに関する記載が見当らない。
【0010】
同様に、特許文献2にも、電気二重層キャパシタにより急激な変動に対して高速で安定化制御することが記載されたもので、自家用発電機と商用交流電源との共用電源における、系統電力の安定化や、自家用発電機の起動などに関する記載が見当らない。特に、病院、工場、家庭などに普及されてきた自家用発電機を設備している関係者からは、できる限り小形で、安価で、系統で突然急激な変動が発生する場合にも高速で安定化制御できる発電装置が望まれている。
【0011】
本発明は、かかる従来の問題を解決すべくなされたもので、定常運転時の負荷容量を満足した発電容量の発電機で、系統に始動電流が発生しても瞬時に応答して安定化制御することができる発電装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、次のような構成により定常運転時の負荷容量を満足した発電機で、系統に始動電流が発生しても瞬時に応答して安定化制御することができる発電装置を提供するものである。
【0013】
即ち、本発明の発電装置は、発電電力を直流電力に変換しこの直流電力を商用周波数の商用交流電圧にして系統に出力する自家用発電機と、前記直流電力が発生する端子に接続された電気二重層キャパシタと、前記系統に接続され前記自家用発電機出力の不足電力を補充するための商用電力回路と、前記系統に始動電流が発生し、電力の供給不足が発生したとき前記電気二重層キャパシタから給電する電力給電手段とを具備してなることを特徴とする。この発明によれば、自家用発電機と買電商用電力回路により定常使用状態での負荷容量を満足したものに構成することができ、系統に始動電流が発生しても瞬時に応答して安定化制御することができる。さらに、定常運転時の負荷容量を予め設定した満足したものに構成できるので、容量が小形の発電機で構成でき、その分、安価に購入できる。さらに、買電商用電力量を最小限の契約で済ませることができる。
【0014】
前記電気二重層キャパシタは、前記自家用発電機の起動時に、直流電力を前記自家用発電機の起動用の交流電力に変換するインバータを介して前記自家用発電機に給電する給電回路に接続されるので、始動電流に対する系統の電圧安定化に限らず、自家用発電機の起動用電源としても利用することができるので、買電商用電力が無くても自家用発電機を起動させることができる。起動用電源として利用した場合、発電部をどこでも瞬時に始動させることができる。
【0015】
前記電気二重層キャパシタは、前記系統から充電し、前記直流回路に放電する充放電各専用の回路にしたので、充電しながら放電することにより負荷変動に対して安定化することができ、充電中に負荷変動が発生しても系統電圧を安定化することができる。
【0016】
前記直流電力が発生する端子には前記電気二重層キャパシタおよび蓄電池が接続されるので、始動電流のように瞬時に発生する場合は、前記電気二重層キャパシタにより安定化補償し、期間が長期間に渉る場合蓄電池により分担して保証することができる。
【0017】
交流電力を発電する発電部と、この発電部の出力端子側に接続され前記交流電力を直流電力に変換するコンバータと、このコンバータの出力端子側に接続され前記直流電力を商用周波数の商用交流電圧に変換するインバータと、前記コンバータ出力の前記直流電力が発生する前記直流電力の端子に接続された前記電気二重層キャパシタと、前記電気二重層キャパシタおよび前記直流電力が発生する端子の接続部と前記コンバータ出力端子との間に接続された第1の開閉回路と、前記インバータの出力端子に接続された第2の開閉回路と、この第2の開閉回路と前記インバータの出力端子の接続部に接続された前記発電部の起動回路とを具備してなるので、第1および第2の開閉回路を操作するだけで電気二重層キャパシタにより発電機を起動させることができる。
【0018】
前記直流電力が発生する端子には、直流電力が発生する回路、直流電力が発生する配線などが実質的に同一であり含まれる。
【0019】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の発電装置の実施形態を図1乃至図7を参照して説明する。
この実施形態は、系統に始動電流が発生したとき電気二重層キャパシタにより瞬時に補償して安定した電力を供給し、定常運転時の負荷容量を満足する発電容量の自家用発電部および買電の商用電力により給電するように分担して、買電電力量を必要最小限の契約で済むようにした例である。即ち、系統に突然瞬時に発生する大きな負荷変動を電気二重層キャパシタにより補償させることにより、自家用発電部および買電商用電力量は、定常運転時の負荷容量のみを満足する容量に選択でき、その分、買電商用電力量を最小限にし、小型化でき、設備投資額が安価にできる。さらに、自家用発電部は、電気二重層キャパシタを含め一つの筐体内に組み込むことができる。
【0020】
この実施形態を図1および図2を参照して説明する。発電装置1は、高周波の交流電力を発電する発電部2と、商用周波数電力出力回路3と、電気二重層キャパシタ4と、商用電力出力回路5と、電力給電制御回路6とからなり、これらは一つの筐体内に組込まれる。自家用発電機は、発電部2と、商用周波数電力出力回路3とから構成されている。
【0021】
発電部2は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、マイクロガスタービンなど工場、病院、役所、家庭などに設備される自家発電用の交流発電機である。
【0022】
商用周波数電力出力回路3は、発電部2で発電した高周波の交流電力を直流電力に変換するコンバータ11と、直流電力を商用周波数例えば50Hz、商用電圧例えば100vの交流電力に変換するインバータ12と、商用周波数電力回路13とからなる。
【0023】
電気二重層キャパシタ4の充放電回路は、コンバータ11の出力端子とインバータ12の入力端子間の直流電力が発生する端子例えば直流電力線15に接続され、直流電力線15から直流電力が充電されると共にこの充電電圧を直流電力線15側に放電する。即ち、電気二重層キャパシタ4は、発電部2が定常運転で発電中に充電し、系統7に負荷変動などの始動電流が発生したとき電気二重層キャパシタ4から放電し、平滑化する。電気二重層キャパシタ4の特徴は、内部抵抗が小さいので急速充放電、長寿命、高充放電効率、低温環境でも動作可能、優れた安全性、メンテナンス不要、低公害、高効率な電力貯蔵体である。電気二重層キャパシタ4は、分極性電極と電解液とからなり、分極性電極と電解液の界面に形成された電気二重層の電荷を蓄積するもので、電気二重層コンデンサと呼称される場合もある。電気二重層キャパシタ4の形状としては、円筒状、フィルム型、コイン型など適宜筐体内に収納される形状に選択される。電気二重層キャパシタ4は、出力電圧を高電圧化するために複数個の電気二重層キャパシタ4を直列接続したり、貯蔵電力容量を増大するために複数個の電気二重層キャパシタ4を並列接続して構成することができる。電気二重層キャパシタ4は、系統7に始動電流が発生し、電力の供給不足が発生したとき系統7に給電して平滑化する。
【0024】
商用電力出力回路5は、発電部2からの電力が不足したとき、電力会社からの買電により補充するための商用電力回路であって、電力会社と契約した電力が給電される回路で、例えば商用周波数50Hz、商用電圧100vを出力する。電力給電制御回路6は、例えば消費電力が少ない夜間から消費電力が大きい昼間になり系統の消費電力が増加して発電部2からの発電電力容量が不足したときを検出して、この不足電力を商用電力出力回路5からの電力で補充する制御をする回路である。電力給電制御回路6は、商用周波数電力出力回路3の出力端子に流れる電力を測定するために電力計21が接続されている。
【0025】
この電力計21は、発電部2による発電電力の消費電力量をモニタし、予め定められた発電部2の最大発電容量値になったときを検出するもので、電力計21の出力には商用電力を系統7に補充出力するように制御するための制御回路22が接続されている。この制御回路22の出力端子には、電力計21が、予め定められた発電部2の発電容量値になったときを検出したとき、商用電力を系統7に出力するように導通状態に制御される切換回路23が接続されている。
【0026】
このような発電装置1の発電部2による発電容量と買電による商用電力量との総電力量は、定常消費電力量の最大消費電力量をカバーする電力量である。このような発電装置1において、系統7に始動電流が発生したとき、電気二重層キャパシタ4は、インバータ12、商用周波数電力回路13を介して系統7に放電することにより始動電流を平滑化する電力給電手段により電力を補充する構成になっている。
【0027】
これらの機能を図示したのが図2で、縦軸は消費電力量であり、横軸は時間である。図2において、直線31は自家用発電部2が稼動したときの定格発電電力量を示し、直線32は現在の定格発電電力量に対して不足する消費電力量を電力会社からの予め契約した給電量を加算したトータルの電力量を示めす。負荷変動曲線33は、系統7に発生する負荷変動状態を示す消費電力波形図であり、あるとき例えばエアコンのスイッチを入力したことにより瞬時に発生する始動電流は、波形34で示めされている。電力会社との契約電力量は、直線32と直線31の消費電力量の差の電力量である。定常運転時の負荷容量を示す電力量は、負荷変動曲線33において、波形34が発生する時間を除いた期間の電力である。
【0028】
図2から判るように、負荷変動曲線33の殆どの時間は、自家発電定格発電電力量で不足する電力量であり、電力会社と契約した電力を加算することにより充足できることが判る。ところが、瞬時に発生する波形34は、電力不足になるため、発電装置1は、この瞬時の電力不足量を電気二重層キャパシタ4から貯蔵電力を放電して補償する装置である。
【0029】
次に、図1の動作を図2の波形図を参照して説明する。負荷変動曲線33において、夜間のように消費電力量が直線31以下のa時刻までは、この消費電力量を電力計21が検出して制御回路22に出力し、制御回路22は、切換回路23を制御して非導通状態に制御して商用電力の供給を遮断する。従って、a期間までは、発電部2を稼動させ発電した電力量の直線31のみで負荷容量を満足し、余裕をもって賄うことができる。朝になり少しづつ機器が稼動し始めると消費電力量が増加し、aからb時刻までは自家発電量の直線31のみでは、電力不足が発生するため、負荷容量を満足できず、この不足電力を電力計21が検出し、制御回路22を動作させて切換回路23を導通状態に制御して商用電力出力回路5からの商用電力を系統7に給電する。このようにして発電装置1は、定常運転時の負荷容量を満足した電力の供給を行うことができる。
【0030】
b時刻において、突然冷蔵庫が動作するとこのとき始動電流が系統7に発生し、負荷変動曲線33は波形34が重畳した波形となる。このサージ電力が自家用発電機の発電電力量に電力会社との契約電力量を加算した総電力量を超過したとき、この超過電力量は、電力給電手段により瞬時に補償する。この電力給電手段は、電気二重層キャパシタ4からインバータ12、商用周波数電力回路13、電力計21を介して系統7に急速に放電し、補償する手段である。
【0031】
波形34が消滅したc時刻になると系統7の消費電力量が、直線32以下となるため、自家発電定格発電電力量の直線31と電力会社との契約電力量との加算電力の直線32で充足できることを電力計21が出力する。このようにして、発電装置1は、自家発電電力と商用電力、電気二重層キャパシタ4の貯蔵電力により補償し、系統7に安定した電力の供給を行うことができる。定常運転とは、図2において、負荷変動曲線33のb時刻までの期間、c時刻からd時刻までの期間の負荷変動をいう。b時刻からc時刻の波形34は、突然瞬時に発生するだけの負荷変動であり、定常運転とは区別される。
【0032】
設備する発電部2の構成は、極力定常運転時の定格負荷容量を満足し、定常運転時に発電効率のよいポイントで運転ができるように電力設計することが望ましい。発電装置1は、コンバータ11出力端子の直流電力部分に短時間で急速放電することができる電気二重層キャパシタ4を接続し、この電気二重層キャパシタ4は発電部2および定常負荷容量時の定格容量である契約商用電力量の加算電力量でカバーしきれない瞬時のモータの始動電流などが流れる短時間の大電流を、電気二重層キャパシタ4により補償できるようにする。
【0033】
上記実施形態では、電気二重層キャパシタ4の使用例として始動電流発生時の電力安定化用として使用した例について説明したが、発電部2の起動用電源として利用することもできる。
【0034】
次に、発電部2例えばマイクロタービン41の起動用電源として利用する実施形態を図3を参照して説明する。図1、図2と同一部分には、同一符号を図3に付与して、その詳細な説明は、重複するので省略する。図3には、図1において商用電力出力回路5、電力給電制御回路6、系統7の回路は、省略して図示されている。
【0035】
発電部2としては、例えば交流電力を発電するマイクロタービン41である。マイクロタービン41の発電電力出力端子には、商用周波数電力を出力するための商用周波数電力出力回路3が接続されている。マイクロタービン41は、燃焼ガスのパワーによりタービン回転翼49が高速回転するガスタービン42と、ガスタービン42の回転軸43に回転軸44が直結されて高速回転し発電する発電機45と、圧縮ガス用空気を吸入し、ろ過するフィルタ46とからなる。ガスタービン42は、フィルタ46を介して吸入された空気を圧縮して燃焼器50に送風するための圧縮機48と、圧縮された空気を加熱し、加熱された空気に燃焼ガス例えば都市ガスが供給され燃焼し、タービン回転翼49を回転させるための燃焼ガスを発生する燃焼器50と、起動電力による始動後、燃焼ガスのパワーにより高速回転するタービン回転翼49とからなる。
【0036】
発電機45は、タービン回転翼49の回転軸43と一体に連結される回転軸44を所有する固定子51と、固定子51と電磁的に結合して発電電力を出力する筒状固定コイル52とからなる。圧縮機48は、タービン回転翼49が回転することにより回転軸43が回転し、この回転軸43に結合されたファンが回転することによりフィルタ46を介して空気を吸入し、この空気を圧縮するコンプレッサである。
【0037】
商用周波数電力出力回路3は、固定コイル52の出力端子に接続されるもので、コンバータ11と、インバータ12と、電気二重層キャパシタ4と変圧器56と、遮断機57とからなる。変圧器56は、インバータ12により直流電力を商用周波数の交流電力に変換した電圧を商用電圧の例えば100vに変換するための装置である。遮断機57は、マイクロタービン41の出力電力をON/OFF制御する装置である。このような構成の商用周波数電力出力回路3には、マイクロタービン41を起動するための給電回路が内蔵されている。この給電回路は、マイクロタービン41の起動時の交流電力を給電する起動用電力供給回路である。マイクロタービン41の起動時の電源電力は、例えばタービン回転翼49を回転させるためにタービン回転翼駆動回路例えばモータに供給される。
【0038】
起動用電力供給回路は、コンバータ11の出力端子と電気二重層キャパシタ4の入力端子間に第1の開閉器61が接続され、さらに、インバータ12の出力端子と変圧器56の入力端子間には、第2の開閉器62が接続され、この第2の開閉器62の他端子には、発電部の起動回路であるタービン回転翼49を回転始動させるためのモータの入力端子に接続されている。第1および第2の開閉器61,62は、2連の連動スイッチ機能を有する構成することが望ましい。起動用電力供給回路は、タービン回転翼49を起動させるとき、第1および第2の開閉器61,62を非導通状態に操作することにより電気二重層キャパシタ4出力の貯蔵電力を放電した直流電力を利用する回路である。
【0039】
この電気二重層キャパシタ4出力の直流電力は、インバータ12でタービン回転翼49を回転させるためのモータ駆動用交流電力に変換されてタービン回転翼49を回転させる。タービン回転翼49の回転は、回転軸43に結合された圧縮機48のファンを回転させ、圧縮機48はフィルタ46から空気を吸入し圧縮空気を生成する。この圧縮空気は、燃焼器50に送出され、燃焼器50において燃料ガスの都市ガスと燃焼し燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスは、始動したばかりのタービン回転翼49を高速回転させるため、起動用電力の供給は停止する。起動用電力の供給停止操作は、第1および第2の開閉器61,62を導通状態に操作することにより起動用電力の供給が停止される。また、インバータ12から出力するタービン回転翼49の起動用電力は、漸次増大させることがタービン回転翼49の始動を容易にする。
【0040】
次に、図3の動作作用を説明する。
先ず、マイクロタービン41を起動させる。マイクロタービン41の起動は、第1および第2の開閉器61,62を非導通状態に操作する。この結果、電気二重層キャパシタ4から直流電圧がインバータ12に入力する放電回路が形成され、インバータ12は、交流電力をタービン回転翼49の起動用として出力する。この結果、タービン回転翼49は回転し、タービン回転翼49の回転軸43に結合された圧縮機48のファンが回転する。この結果、圧縮機48は、フィルタ46から空気を吸入し、この空気を圧縮して燃焼器50に送る。
【0041】
燃焼器50は、圧縮された空気で都市ガスを燃焼させ、燃焼ガスを発生させ、タービン回転翼49に送る。回転初期のタービン回転翼49は、燃焼ガスのパワーにより高速回転する。このとき、第1および第2の開閉器61,62は導通状態に操作されて、電気二重層キャパシタ4による起動電力の供給が停止される。このようなマイクロタービン41の起動操作は、第1および第2の開閉器61,62の開閉操作であり、自動化することができる。自動化の手段は、起動電力供給後、タービン回転翼49が高速回転し、起動電力の供給を停止する操作を計算機例えばマイコンにより実行することができる。
【0042】
タービン回転翼49用モータの始動電流などの短時間負荷を電気二重層キャパシタ4からの電力貯蔵システムでカバーできるので、電力会社との契約電力量を設定する場合にモータの始動電流などの短時間負荷分を加算しない定常消費電力量で契約することができ、電力会社へ支払う電力料金を低減できる経済的な契約ができる。
【0043】
上記実施形態では、電気二重層キャパシタ4によるマイクロタービン41用起動電力の供給手段として、商用周波数電力を出力するためのコンバータ11、インバータ12の回路を切換えて利用したが、マイクロタービン41を起動するための電力の供給回路を独立して設けてもよい。
【0044】
次に、電気二重層キャパシタ4による起動電力供給回路を独立して設けた他の実施形態を図4を参照して説明する。図1乃至図3と図4の同一部分には同一符号を付与し、その詳細な説明は重複するので省略する。
【0045】
電気二重層キャパシタ4の放電端子71には、起動時のみ導通状態にする開閉器72の一端が接続され、開閉器72の他端には、直流電力をマイクロタービン41起動用交流電力に変換するインバータ73が接続されている。このインバータ73出力の起動用交流電力は、マイクロタービン41の例えばタービン回転翼49を回転させるためのモータに供給されるように接続されている。起動回路は、開閉器72、インバータ73の回路である。
【0046】
この結果、開閉器72を導通状態に操作したときのみ、電気二重層キャパシタ4から直流電力がインバータ73に出力され、インバータ73はマイクロタービン41起動用の交流電力をタービン回転翼49を回転させるためのモータに出力する。このようにしてタービン回転翼49は、回転し、燃焼ガスが多量に生成され、この燃焼ガスのパワーによりタービン回転翼49が高速回転したとき、開閉器72が非導通状態に操作されて、マイクロタービン41の起動操作が終了する。電気二重層キャパシタ4への充電は、マイクロタービン41の発電が定常状態に達したときコンバータ11出力の直流電力により行われる。
【0047】
上記実施形態では、マイクロタービン41起動用電力を、急速充放電特性を有する電気二重層キャパシタ4のみから供給した実施形態について説明したが、商用電力が停電した時などの即時自家用発電を動作させたい場合、次のように構成することができる。商用電力が停電したとき、タービン回転翼49の回転始動について急速放電特性を有する電気二重層キャパシタ4からの電力により回転させ、その後、蓄電池74からの電力もタービン回転翼49に給電するようにしてもよい。
【0048】
次に、この実施形態を、図5を参照して説明する。図1乃至図4と同一部分には同一符号を図5に付与し、その詳細な説明は重複するので省略する。
【0049】
電気二重層キャパシタ4には、蓄電池74が並列接続されている。即ち、電気二重層キャパシタ4と蓄電池74の充電は、コンバータ11の出力端子から行われ、放電は開閉器72の一端に行われるように接続されている。起動回路は、開閉器72と、インバータ73の回路である。このように電気二重層キャパシタ4と蓄電池74の並列接続回路は、例えば商用電力が停電して自家用発電機のマイクロタービン41を急速にスタートさせたいとき、先ず開閉器72を導通状態に操作し、電気二重層キャパシタ4からの直流電力によりタービン回転翼49を始動させ、その後、蓄電池74からの直流電力により又は双方からの貯蔵電力を一緒にタービン回転翼49起動用モータに供給してタービン回転翼49を高速回転させることができる。この構成は、高価な電気二重層キャパシタ4を比較的小規模に構成することもできる。
【0050】
その後、マイクロタービン41が定常の発電動作になった状態で、系統7に始動電流が発生したときには、瞬時に電気二重層キャパシタ4から直流電力を供給して電力補償する。
【0051】
図5の回路構成図による発電装置1は、停電時のバックアップ用電源に限らず、緊急性が要求されない場合は、蓄電池74をマイクロタービン41のタービン回転翼49の起動用電源として利用することもできる。即ち、発電装置1は、マイクロタービン41の起動時、蓄電池74から供給してタービン回転翼49を始動させ、定常状態の発電時に系統7に始動電流が発生したときの電力補償として瞬時に電気二重層キャパシタ4から直流電力を供給するようにすることもできる。蓄電池74としては、例えばナトリウム−イオウ電池(NAS電池)、バナジウム系電解液使用の二次電池(レッドクスフロー電池)、ナトリウム系電解液使用の二次電池(REGENESYS電池)、超伝導電力貯蔵システムなどがある。
【0052】
上記実施形態では、電気二重層キャパシタ4への充電として、コンバータ11出力端子から充電のための電流を流した例について説明したが、充電電流は、系統7から流すようにしてもよい。
【0053】
次に、充電電流を系統7から流すようにした実施形態を、図6および図7を参照して説明する。図1乃至図5と同一部分には、図6および図7に同一符号を付与し、その詳細な説明は重複するので省略する。図6および図7には、図1において商用電力出力回路5、電力給電制御回路6、系統7の商用電力供給回路は、省略して図示されている。
【0054】
商用周波数で、商用電圧が出力される系統7には、充電器77を介して電気二重層キャパシタ4に充電電流が流れるように接続され、電気二重層キャパシタ4の放電電流がインバータ12の入力端子に流れるように充放電回路が設けられている。この充放電回路は、上記したように始動電流が発生する系統7から直接電気二重層キャパシタ4に充電電流が流れるため、充電しながら始動電流の発生を抑圧し、平滑化することができる。充電器77は、系統7に発生する交流電力を直流電力に変換するための例えば整流回路である。
【0055】
図6の発電装置1の電気二重層キャパシタ4と充電器77の直列接続回路に、充電器78と蓄電池79の直列接続回路を並列接続することもできる。この実施形態を示したのが、図7である。系統7に始動電流が発生したとき、瞬時に応答するのは、電気二重層キャパシタ4であり、電気二重層キャパシタ4はインバータ12に直流電力を放電し、インバータ12は始動電流を補償する電力量を交流電力に変換して系統7に安定した電力を供給する。また、始動電流が大きく補償電力が不足する場合は、蓄電池79からも直流電力を補充するように出力する。充電器78は、系統7に発生する交流電力を直流電力に変換するためのコンバータ機能を有する回路である。
【0056】
上記実施形態では、発電部2としてマイクロタービンについて説明したがマイクロガスタービン発電機やマイクロ蒸気タービン発電機、ガソリンエンジン発電機、ディゼルエンジン発電機、風力発電機、太陽電池発電機、燃料電池発電機など自家用発電機であればいずれのものにも適用できる。
【0057】
以上説明したように上記実施形態によれば、発電装置1の負荷回路即ち、系統7の電力が突然瞬時に変動しても、直ちに応答して平滑化し、安定な出力電力を常時使用することができる。さらに、定常運転時の負荷容量を満足した発電容量の発電設備で、系統7に始動電流が発生しても瞬時に応答して系統7に安定化した電力制御をすることができる発電装置1を得ることができる。さらに、自家用発電機の発電容量を定常運転時の定格負荷容量を満足した発電部2を設備すればよいため、低コストで、瞬時だけのために負荷容量の大きな発電部2を設備する必要がない。さらに、発電装置1は、自家用発電設備を保有し、電力会社と系統7で連係し、自家用発電設備と買電商用電力とを併用で運用する場合に有効なシステムである。さらに、タービン回転翼用モータを始動させるための起動電流などの短時間負荷を電気二重層キャパシタ4からの貯蔵電力でカバーできるので、電力会社との契約電力量を設定する場合にモータの起動電流などの短時間負荷分を加算しない経済的な電力量で契約することができ、電力会社へ支払う電力料金を低減できる経済的な契約ができる。
【0058】
【発明の効果】
この発明によれば、定常運転時の負荷容量を満足した発電容量の発電機で、系統に始動電流が発生しても瞬時に応答して安定化制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の発電装置の実施形態を説明するための回路構成図。
【図2】図1の自家用発電機による発電電力量と電力会社との契約電力量と、負荷変動消費電力量との関係を説明するための特性図。
【図3】図1の他の実施形態を説明するための回路構成図。
【図4】図1の他の実施形態を説明するための回路構成図。
【図5】図1の他の実施形態を説明するための回路構成図。
【図6】図1の他の実施形態を説明するための回路構成図。
【図7】図1の他の実施形態を説明するための回路構成図。
【符号の説明】
1…発電装置、2…発電部、3…商用周波数電力出力回路、4…電気二重層キャパシタ、5…商用電力出力回路、6…電力給電制御回路、7…系統、11…コンバータ、12,73…インバータ、13…商用周波数電力回路、15…直流電力線、21…電力計、22…制御回路、23…切換回路、31,32…直線、33…負荷変動曲線、34…波形、41…マイクロタービン、42…ガスタービン、43,44…回転軸、45…発電機、46…フィルタ、47,50…燃焼器、48…圧縮機、49…タービン回転翼、51…回転コイル、52…固定コイル、56…変圧器、57…遮断機、61,62,72…開閉器、71…放電端子、74,79…蓄電池、77,78…充電器。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a power generator that outputs stable power even when a starting current is generated in a system.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a private power generator, a solar power generator, a wind power generator, a gasoline engine generator, a diesel engine generator, a gas engine generator, a micro turbine generator, and the like have been practically used. In a microturbine generator, a turbine is driven at a high speed of tens of thousands to hundreds of thousands of revolutions per minute to generate high-frequency power, rectifies the high-frequency power with a converter and converts it into DC power, and converts the DC power into an inverter. And converts it to a commercial frequency of 50 Hz or 60 Hz and a commercial voltage of 100 V and supplies it to the system. In addition, in the case of a power outage in which power is not output to the system, the private power generator start-up power supply connects a storage battery to a terminal portion in the power generator where DC power is generated between the converter and the inverter, and outputs the output voltage of the storage battery. This system is used as a power source for starting a microturbine, starts a private power generator, charges a storage battery during normal operation, and stands by.
[0003]
Since this storage battery is connected for starting the power generator in a blackout state where no power is generated in the system, when the power generator starts operating in a steady state and suddenly starts the motor load, etc., a starting current is generated in the system. However, the response to the rapid discharge is slow and the system power changes, and it is not suitable for stable system power supply. As this storage battery, a lead storage battery or the like is generally used, and improvement is desired for stabilizing the voltage of the system. In particular, the generation of the starting current is, for example, when an air conditioner, a refrigerator, a vacuum cleaner, an elevator, an X-ray, etc. are connected to the system, an abnormally high power consumption increase only at this moment due to the rush current at the time of starting the motor. appear. A lead storage battery has a slow response and cannot perform stable power compensation, and when the number of times of charge / discharge is about 200 to 1000, the electrode starts to deteriorate, the storage voltage deteriorates, and it needs to be replaced in 2 to 3 years. Met.
[0004]
In addition, in a distributed power generator of an independent power system, a generator having a large power generation capacity capable of covering a maximum point of the load fluctuation is used in order to absorb a load fluctuation in the system. That is, it is necessary to install a power generation device having a large power generation capacity that can cover a starting current having a magnitude several times larger than the rated value that acts at the time of starting the motor when the motor is loaded. As described above, because of the instantaneous starting current, it is necessary to provide a power generator having a large power generation capacity that can cope with the starting current. The power generation equipment with a large capacity that also absorbs the starting current is operated with a partial load that is a fraction of the power generation capacity during steady-state operation with the longest operation time, and the power generation equipment operating efficiency is extremely poor. However, since the starting current is only generated at the time, the size of the power generation device is increased, the fuel consumption is increased, and the capital investment is expensive.
[0005]
On the other hand, when the capacity of the power generation equipment is set based on the load capacity during the steady operation, the power generator itself trips because it cannot cover the load fluctuation in the system, for example, the starting current when the motor is started. Will be.
[0006]
Furthermore, as a power supply device that supplies power stably, an electric double layer capacitor is connected in parallel to the power storage device so that when a load change or power failure occurs, the electric double layer capacitor first discharges, and then the power storage device There has been proposed a device that supplies power stably from a device (for example, Patent Document 1).
[0007]
In addition, as a power supply device that supplies power stably, an electric double layer capacitor unit is connected to the generated power output line of the gas engine, and the surplus generated power is rapidly charged to the electric double layer capacitor unit to reverse power flow. There has been proposed a device for preventing the occurrence of an image (for example, Patent Document 2).
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-34179 ([0027], FIG. 1).
[Patent Document 2]
JP-A-7-231570 ([0029], FIG. 1).
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However,
[0010]
Similarly,
[0011]
The present invention has been made in order to solve such a conventional problem, and is a generator having a power generation capacity that satisfies a load capacity during a steady operation. It is an object of the present invention to provide a power generation device that can perform the power generation.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a generator that satisfies the load capacity during steady operation with the following configuration, and can stabilize and control the system instantaneously even if a starting current is generated in the system. It is intended to provide a power generation device that can be used.
[0013]
That is, the power generator of the present invention converts a generated power into a DC power, converts the DC power into a commercial AC voltage of a commercial frequency, and outputs the commercial AC voltage to a system, and an electric generator connected to a terminal where the DC power is generated. A double-layer capacitor, a commercial power circuit connected to the system for replenishing the power shortage of the private generator output, and a starting current is generated in the system, and when the power supply is insufficient, the electric double-layer capacitor is used. And power supply means for supplying power from the power supply. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it can comprise so that load capacity in a steady use state may be satisfy | filled by a private generator and a purchased commercial power circuit, and even if the starting current arises in a grid | system, it responds instantaneously and is stabilized. Can be controlled. Further, since the load capacity at the time of steady operation can be configured to satisfy a preset value, it is possible to configure the generator with a small capacity, and to purchase it correspondingly at low cost. Further, the amount of purchased commercial power can be reduced with a minimum contract.
[0014]
Since the electric double layer capacitor is connected to a power supply circuit that supplies power to the private generator via an inverter that converts DC power into AC power for starting the private generator when the private generator is started, It can be used not only for stabilizing the voltage of the system with respect to the starting current but also as a power source for starting the private generator, so that the private generator can be started even without purchased commercial power. When used as a start-up power source, the power generation unit can be started instantly anywhere.
[0015]
Since the electric double layer capacitor is a dedicated circuit for charging and discharging each of which charges from the system and discharges to the DC circuit, it is possible to stabilize against a load change by discharging while charging, and during charging. The system voltage can be stabilized even if a load fluctuation occurs.
[0016]
Since the electric double layer capacitor and the storage battery are connected to the terminal where the DC power is generated, when the electric power is generated instantaneously as in a starting current, the electric double layer capacitor stabilizes and compensates for a long period. In case of negotiation, it can be guaranteed by sharing the storage battery.
[0017]
A power generation unit for generating AC power, a converter connected to an output terminal of the power generation unit for converting the AC power to DC power, and a DC power supply connected to an output terminal of the converter and converting the DC power to a commercial frequency. An inverter that converts the DC power of the converter output, the electric double layer capacitor connected to the terminal of the DC power at which the DC power of the converter output is generated, and a connection portion of the electric double layer capacitor and the terminal at which the DC power is generated, and A first switching circuit connected between the converter output terminal, a second switching circuit connected to the output terminal of the inverter, and a connection between the second switching circuit and the output terminal of the inverter; And a starter circuit for the power generation unit, so that the generator is started by the electric double layer capacitor simply by operating the first and second switching circuits. It can be.
[0018]
The terminals that generate the DC power include substantially the same circuit that generates the DC power, wiring that generates the DC power, and the like.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, an embodiment of a power generation device of the present invention will be described with reference to FIGS.
In this embodiment, when a starting current is generated in the system, the electric double layer capacitor instantaneously compensates and supplies stable power, and a private power generation unit having a power generation capacity that satisfies a load capacity during a steady operation and a commercial power purchaser. This is an example in which electric power is shared so as to be supplied with electric power, and the amount of purchased electric power can be reduced to a minimum contract. That is, by allowing the electric double layer capacitor to compensate for large load fluctuations that occur instantaneously and suddenly in the system, the private power generation unit and the purchased commercial power can be selected to a capacity that satisfies only the load capacity during steady operation. Therefore, the amount of purchased commercial power can be minimized, the size can be reduced, and the capital investment can be reduced. Further, the private power generation unit including the electric double layer capacitor can be incorporated in one housing.
[0020]
This embodiment will be described with reference to FIGS. The
[0021]
The
[0022]
The commercial frequency
[0023]
The charge / discharge circuit of the electric
[0024]
The commercial
[0025]
The
[0026]
The total power amount of the power generation capacity of the
[0027]
FIG. 2 illustrates these functions, in which the vertical axis represents power consumption and the horizontal axis represents time. In FIG. 2, a
[0028]
As can be seen from FIG. 2, most of the time on the
[0029]
Next, the operation of FIG. 1 will be described with reference to the waveform diagram of FIG. In the
[0030]
At time b, if the refrigerator suddenly operates, a starting current is generated in the
[0031]
At the time c when the
[0032]
It is desirable that the configuration of the
[0033]
In the above-described embodiment, an example in which the electric
[0034]
Next, an embodiment in which the
[0035]
The
[0036]
The
[0037]
The commercial frequency
[0038]
In the start-up power supply circuit, a
[0039]
The DC power output from the electric
[0040]
Next, the operation of FIG. 3 will be described.
First, the
[0041]
The
[0042]
Since a short-time load such as the starting current of the motor for the
[0043]
In the above-described embodiment, the circuit of the
[0044]
Next, another embodiment in which a starting power supply circuit using the electric
[0045]
The
[0046]
As a result, DC power is output from the electric
[0047]
In the above-described embodiment, the embodiment in which the power for starting the
[0048]
Next, this embodiment will be described with reference to FIG. The same reference numerals are given to FIG. 5 for the same parts as those in FIGS.
[0049]
A
[0050]
Thereafter, when a starting current is generated in the
[0051]
The
[0052]
In the above-described embodiment, an example has been described in which a current for charging flows from the output terminal of the
[0053]
Next, an embodiment in which the charging current flows from the
[0054]
The
[0055]
A series connection circuit of the
[0056]
In the above embodiment, a micro turbine is described as the
[0057]
As described above, according to the above-described embodiment, even if the power of the load circuit of the
[0058]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, stabilization control can be performed in an instantaneous response even if a starting current is generated in a system with a generator having a power generation capacity that satisfies a load capacity during a steady operation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit configuration diagram for explaining an embodiment of a power generation device of the present invention.
FIG. 2 is a characteristic diagram for explaining the relationship between the amount of power generated by the private generator in FIG. 1, the amount of contract power with a power company, and the amount of load-variable power consumption.
FIG. 3 is a circuit configuration diagram for explaining another embodiment of FIG. 1;
FIG. 4 is a circuit configuration diagram for explaining another embodiment of FIG. 1;
FIG. 5 is a circuit configuration diagram for explaining another embodiment of FIG. 1;
FIG. 6 is a circuit configuration diagram for explaining another embodiment of FIG. 1;
FIG. 7 is a circuit configuration diagram for explaining another embodiment of FIG. 1;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記直流電力が発生する端子に接続された電気二重層キャパシタと、
前記系統に接続され前記自家用発電機出力の不足電力を補充するための商用電力回路と、
前記系統に始動電流が発生し、電力の供給不足が発生したとき前記電気二重層キャパシタから給電する電力給電手段と
を具備してなることを特徴とする発電装置。A private power generator that converts the generated power into DC power, converts this DC current into a commercial AC voltage of a commercial frequency, and outputs it to the grid,
An electric double layer capacitor connected to a terminal where the DC power is generated,
A commercial power circuit connected to the grid to replenish the power shortage of the private generator output,
A power supply means for supplying power from the electric double layer capacitor when a starting current is generated in the system and a power supply shortage occurs.
この発電部の出力端子に接続され前記交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
このコンバータの出力端子に接続され前記直流電力を商用周波数の商用交流電圧に変換するインバータと、
前記コンバータ出力の前記直流電力が発生する端子に接続された前記電気二重層キャパシタと、
前記電気二重層キャパシタおよび前記直流電力が発生する端子の接続部と前記コンバータ出力端子との間に接続された第1の開閉回路と、
前記インバータの出力端子に接続された第2の開閉回路と、
この第2の開閉回路と前記インバータの出力端子の接続部に接続された前記発電部の起動回路と
を具備してなることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の発電装置。A power generation unit for generating AC power,
A converter connected to an output terminal of the power generation unit and converting the AC power to DC power;
An inverter connected to an output terminal of the converter and converting the DC power into a commercial AC voltage having a commercial frequency;
The electric double layer capacitor connected to a terminal where the DC power of the converter output is generated,
A first switching circuit connected between the electric double layer capacitor and a connection part of a terminal where the DC power is generated and the converter output terminal;
A second switching circuit connected to an output terminal of the inverter;
The power generator according to any one of claims 1 to 4, comprising: the second switching circuit; and a starter circuit of the power generator connected to a connection between an output terminal of the inverter and the power generator. .
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