JP2006121888A - コジェネレーション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 停電時にも非常用電源としてコジェネレーション装置の発電出力を取り出せるようにすること。
【解決手段】 発電機１の出力を系統９に連系させる。ＡＴＳ７に連系スイッチ１９と自立スイッチ２０とを設ける。系統連系運転時はインバータ３−２から出力される発電機１の発電電力は連系スイッチ１９および配電盤８のブレーカを介して系統９や電気負荷１０に供給される。停電時等に発電機１を自立運転する時は、自立スイッチ２０を介してインバータ３−２が自立出力端子１５に接続され、発電出力は配電盤８を経由しないで自立出力端子１５から取り出し可能である。連系スイッチ１９と自立出力端子１５との間に出力切り替えスイッチ２１を設け、系統連系運転時は、系統９および発電機１の双方から発電電力を自立出力端子１５に供給可能にする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、都市ガスを燃料とするガスエンジン等のエンジンを動力源として発電および給湯を行うコジェネレーション装置に関し、特に、発電出力を連系させた商用電力系統の停電時等、非常時に自立運転することができるコジェネレーション装置に関する。

近年、地球環境保護の必要性が喧伝され、都市ガス等を燃料とするガスエンジン等のエンジンを動力源として発電および給湯等を行う自家発電設備としてのコジェネレーション装置が注目されている。この種のコジェネレーション装置では、発電に伴って発生する熱エネルギを電力と同時に消費できない場合も多いため、この熱エネルギを無駄なく使用する観点で、消費できない熱量を発生させないようにした熱需要優先型の装置が提案されている。例えば、特開２０００−８７８０１号公報に記載されているコジェネレーション装置では、発電出力を商用電力系統に連系させておき、熱負荷のないときにはこの系統から電力供給を受け、熱負荷があったときにだけ運転することによって運転効率を上げることが行われている。
特開２０００−８７８０１号公報

上述の特許文献に記載された従来のコジェネレーション装置は、家庭用として小型のものが近年使用されるようになってきた。そして、系統連系との兼ね合いから、系統の停電時には、コジェネレーション装置が単独で運転されることがないように、つまり自立運転させないようにコジェネレーション装置の運転を停止するのが一般的である。しかし、これでは、せっかく所有している発電設備としてのコジェネレーション装置を、停電という非常時に使用できない不便さが生じる。

本発明は、停電などの非常時に、自立運転して負荷に電力を供給することができるコジェネレーション装置を提供することを目的とする。

本発明は、発電装置の出力を系統に連系させる系統連系制御部と、前記発電装置による発電に伴って発生する排熱を回収する排熱回収部とを有するコジェネレーション装置において、前記発電装置の出力を系統と連系させて負荷へ接続する連系運転出力端子と、前記連系運転出力端子とは別に設けられる自立運転出力端子と、系統連系運転中にのみ前記発電装置の出力を前記連系運転出力端子へ接続する連系スイッチと、自立運転中にのみ前記発電装置の出力を前記自立運転出力端子へ接続する自立スイッチとを具備した点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記連系スイッチの系統側端子を前記自立運転出力端子へ接続する出力切り替えスイッチを設けるとともに、この出力切り替えスイッチが、系統連系運転中にのみオンに切り替えられるように構成されている点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記自立運転出力端子が、コジェネレーション装置本体に設けられている点に第３の特徴がある。

さらに本発明は、前記発電装置が、エンジン駆動発電機である点に第４の特徴があり、前記発電装置が、燃料電池である点に第５の特徴がある。

上記特徴を有する本発明によれば、コジェネレーション装置を系統から解列して自立運転するときの出力を連系運転出力端子とは別に独立して設けられて、屋内配線とは別系統となる自立運転出力端子から発電出力を取り出すことができる。したがって、停電時等に非常用電源として活用することが可能になる。

第２の特徴によれば、自立運転時だけでなく、系統連系運転時にも、自立運転出力端子から発電出力を取り出すことができる。したがって、自立運転出力端子に接続した負荷には、通常運転時および停電時共に電力供給することが可能になる。

第３の特徴によれば、自立運転出力端子の取り付け位置がコジェネレーション装置本体に特定されているので、停電等の非常時にあっても、電力を供給したい電気負荷を接続しておくべき位置に間違いがなくなる。

以下に図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。図２はエンジン発電機を商用電力系統に連系させたコジェネレーション装置の構成を示すブロック図である。同図において、発電機１は、例えば、エンジンＥによってロータが駆動される３相の多極磁石式エンジン発電機であり、エンジン回転数に応じた交流電力を発生する。発電機１は、エンジン始動用電動機として動作することもできる電動機兼用発電機である。エンジンＥは、例えば、都市ガスを燃料とするガスエンジンであり、回転数を目標回転数に収斂させる電子ガバナを備える。

整流回路２は、ブリッジ接続された整流素子（図示せず）を有し、発電機１の出力を全波整流する。整流素子には、ＦＥＴなどのスイッチング素子（図示せず）が並列接続されている。これらのスイッチング素子は、エンジンＥを始動する際には、発電機１をエンジン始動用電動機として駆動するように制御される。整流回路２のスイッチング素子のオン、オフにより、バッテリ５から双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４を介して印加される直流電圧を３相のＡＣ電圧に変換して発電機１に供給することができる。つまり、整流回路２は、電動機の駆動用インバータとしての機能を有する。

逆変換部３は、ＤＣレギュレータ（スイッチング・コンバータ）３−１とインバータ３−２とを有し、整流回路２の出力を所定周波数の交流電力に変換して出力する。このスイッチング・コンバータ３−１は、発電機１やバッテリ５の出力変動がインバータ３−２の入力電圧に影響を及ばないようにする機能を有する。インバータ３−２は、発電機１の出力交流を系統９と同じ品質（電圧、周波数、ノイズ等に関して）の交流に変換し、系統９の位相と同期をとって連系させる機能を有する。系統連系機能を有する装置の一例は特公平４−１０３０２号公報に開示されている。

インバータ３−２の出力は、切替装置（ＡＴＳ）７および配電盤８を介して商用電力系統９に連系させるとともに電気負荷１０に接続される。ＡＴＳ７は、発電機１の出力を系統９と連系させるか、発電機１を系統と解列して自立運転させるか（自立運転モードか）によって切り替えられる。連系時および自立運転モード時の切り替えの具体例は図１に関して後述する。

バッテリ５は、発電機１の電力による直流電源に対して必要に応じて補助電力を供給する外部直流電源である。バッテリ５の電圧を昇圧して逆変換部３に供給するための手段として、整流回路２の出力側つまり逆変換部３の入力側に昇圧型の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４が接続される。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４は、発電機出力が十分であり、かつバッテリ５の残量が少ないときに、整流回路２の出力でバッテリ５を充電する機能を有する。以下では、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４のバッテリ５側を一次側、整流回路２側を二次側と呼ぶことがある。バッテリ５は、例えば、エンジン始動用電動機の電源として一般的に使用されている１２Ｖのバッテリである。

エンジンＥには、エンジンＥの排熱を回収する排熱回収部としての水冷装置１１が設けられ、この水冷装置１１を循環する冷却水の管路１２は貯湯タンク１３内を経由するように配管される。エンジンＥはその運転に伴って熱を発生し、この熱はエンジンＥの水冷装置１１で熱交換により回収されて貯湯タンク１３に供給される。エンジンＥからの熱回収はエンジンＥのマフラー等の高温部分全てを対象とすることが好ましい。

上記コジェネレーション装置の動作を説明する。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４は、一次側と二次側とが完全同期するように同一の駆動信号で駆動する。この駆動形態により双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４は、双方向で電力変換を行う。

エンジンの始動時、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４のトランスの巻線比による一次側と二次側との相対電圧差に基づいて、バッテリ５のＤＣ電圧が双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４で昇圧され、昇圧されたＤＣ電圧が駆動用インバータ（整流回路）２に与えられる。駆動用インバータ２は、図示しない制御部からの始動指令によってスイッチング駆動され、このＤＣ電圧を３相のＡＣ電圧に変換して発電機１に与え、発電機１をエンジン始動用電動機として起動する。

エンジンＥが始動されると、発電機１はエンジンにより駆動され、駆動用インバータ２のスイッチング動作は停止される。発電機１の出力は、整流回路（駆動用インバータ）２で整流され、逆変換部３のスイッチング・コンバータ３−１で電圧調整され、さらにインバータ３−２で所定周波数の交流電力に変換されて出力される。

バッテリ５の残量が少なければ、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４を通して整流回路２の出力によりバッテリ５は充電される。すなわち、バッテリ５の変換出力が整流回路２の出力電圧より低ければ、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４のトランスの巻線比による一次側と二次側の相対電圧差に基づいて、バッテリ５が整流回路２の出力で充電されるように電力変換が行われる。

このコジェネレーション装置は、例えば、系統９の停電などの場合に、非常用電源として自立運転モードで運転することができる。系統連系時と自立運転モード時のＡＴＳ７の切り替え例を説明する。

図１は、コジェネレーション装置と系統および電気負荷との配線例を示す単線結線図である。同図において、コジェネレーション装置１００のＡＴＳ７は、第１の出力端子としての連系出力端子１４と第２の出力端子としての自立出力端子１５とを備える。自立出力端子１５は、コジェネレーション装置１００のフレームに設けるコンセントとすることができる。連系出力端子１４は、電磁接点で構成される自立インタロックスイッチ３７およびこのスイッチ３７に直列接続された連系スイッチ１９を介してインバータ３−２に接続される。自立出力端子１５は電磁接点で構成される自立スイッチ２０を介してインバータ３−２に接続される。

配電盤８は、メインブレーカ１６、コジェネレーション装置専用のブレーカ１７、および負荷専用のスイッチ１８を有する。コジェネレーション装置１００の連系出力端子１４は、コジェネレーション装置専用のブレーカ１７および負荷用スイッチ１８を介して電気負荷１０と接続されているとともに、コジェネレーション装置専用のブレーカ１７およびメインブレーカ１６を介して系統９に接続される。また、系統９は、メインブレーカ１６と負荷用スイッチ１８とを介して電気負荷１０と接続される。

配電盤８のメインブレーカ１６およびコジェネレーション装置１００専用のブレーカ１７は過電流を検出して系統９からコジェネレーション装置１００を切り離すスイッチ手段である。

ＡＴＳ７では、系統連系時、連系スイッチ１９がオンに切り替えられ、自立スイッチ２０はオフに切り替えられている。したがって、系統連系時において発電機１の出力電力は連系スイッチ１９並びに配電盤８のブレーカ１７および負荷用スイッチ１８を介して電気負荷１０に供給されるとともに、系統９からの電力は、メインブレーカ１６および負荷用スイッチ１８を介して電気負荷１０に供給される。

自立運転モードでコジェネレーション装置１００を運転するときは、自立スイッチ２０がオンに切り替えられ、連系スイッチ１９がオフに切り替えられる。したがって、自立運転モードでは、自立スイッチ２０を介して自立出力端子１５に発電機１による電圧が出力される。この自立運転モードでは、自立出力端子１５に電気負荷１０をつなぎ替えたり、電気負荷１０とは別の電気負荷を自立出力端子１５に接続したりして発電機１の発電出力を利用できる。

図３は、上記実施形態の変形例を示す単線結線図であり、図１と同符号は同一または同等部分を示す。この変形例では、ＡＴＳ７の連系スイッチ１９と自立出力端子１５との間に出力切り替えスイッチ２１を設け、出力切り替えスイッチ２１の、自立出力端子１５側で自立スイッチ２０と接続する回路構成とする。この出力切り替えスイッチ２１を設けることにより、系統連系時であっても自立運転モードの配線経路を使用せずに自立出力端子１５から電力を取り出すことが可能になる。

出力切り替えスイッチ２１を設けた場合、出力切り替えスイッチ２１は系統連系時にのみオンに切り替えられ、自立運転モードではオフに切り替えられる。つまり系統連系時は、連系スイッチ１９および出力切り替えスイッチ２１の双方がオンに切り替えられるので、発電機１および系統９の双方からの電力を自立出力端子１５から取り出すことができる。自立運転モードでは、連系スイッチ１９および出力切り替えスイッチ２１はオフに切り替えられるので、自立出力端子１５のみから発電機１の電力を取り出すことができる。

次に、図４のタイミングチャートを参照して、図３の構成におけるスイッチ１９〜２１および３７の動作タイミングを説明する。まず、系統９が正常であって発電機１が待機状態にある時、自立インタロックスイッチ３７および出力切り替えイッチ２１はオンであり、連系スイッチ１９および自立スイッチ２０はオフである。そして、発電機１を運転して系統連系させる時（タイミングｔ１）に連系スイッチ１９をオンにする。

系統９に、所定値以上の電圧変動が発生するなどの停電以外の異常が発生したタイミングｔ２では、系統連系を解除するために、タイミングｔ２から所定の時間Ｔ１後に連系スイッチ１９をオフにする。停電ではないので、電気負荷１０には系統９から電力が供給される。また、自立インタロックスイッチ３７はそのままオンに維持されるので、自立インタロックスイッチ３７および出力切り替えスイッチ２１を介して自立出力端子１５に接続される図示しない他の電気負荷に電力供給可能である。

タイミングｔ３で系統９が正常に復帰すると、それから所定時間Ｔ２経過後に連系スイッチ１９がオンになり、再び発電機１は連系出力端子１４を介して系統９と連系して電気負荷１０に対する電力供給が可能になる。

停電時の動作を説明する。タイミングｔ４で系統９の停電が発生すると、まず連系スイッチ１９をオフにする。連系運転時には、自立スイッチ２０はオフに切り替えられているので、この連系スイッチ１９をオフへ切り替えることによって、系統９の停電検出時には、まず、インバータ３−２および連系出力端子１４間のラインが遮断される。つまり、連系出力端子１４に発電機１の出力電圧は生じない。

停電が所定時間Ｔ３が経過するまで続いていた場合、つまり系統電圧がゼロボルト（０Ｖ）になっていることにより、瞬間的な停電でないことを確認したならば、自立インタロックスイッチ３７および出力切り替えスイッチ２１をオフにする。自立インタロックスイッチ３７および出力切り替えスイッチ２１のオフから時間Ｔ４遅らせて、自立スイッチ２０をオンにする。自立スイッチ２０を時間遅れを設けてオンに切り替えることで、インバータ３−２から自立スイッチ２０、出力切り替えスイッチ２１および自立インタロックスイッチ３７を介して連系出力端子１４へ発電機１の出力電圧が生じるのを防止することができる。

タイミングｔ５で停電から復帰すると、つまり所定の系統電圧が検出されると、その系統電圧が時間Ｔ５の間維持された後に、自立スイッチ２０をオフにする。

自立スイッチ２０をオフにしたならば、時間Ｔ６経過後に自立インタロックスイッチ３７および出力切り替えスイッチ２１をオンにする。これにより、系統９との接続を復帰させる準備が完了する。

系統９との接続復帰準備が終了した後、連系スイッチ１９をオンに切り替える。連系スイッチ１９をオンに切り替えることで、発電機１の出力が系統９に連系される。こうして、系統９の電力供給が可能になってから発電機１が連系接続される。時間Ｔ７は復電後に再連系が阻止されている時間である。系統９からの電力供給を優先させることによって、電気負荷１０や自立出力端子１５に接続される負荷を発電機１で全て負担することになるのを防止できる。

自立出力端子１５の出力電圧は、停電発生時、自立スイッチ２０がオンになるまでの間、および、復電時、自立スイッチ２０がオフになってから自立インタロックスイッチ３７および出力切り替えスイッチ２１がオンになるまでの間、１００〜３００ミリ秒間、所定電圧を維持できないが、瞬断であるので、通常は負荷に対しての影響はほとんどない。しかしながら、この自立出力端子１５に接続する負荷の選定にあたっては、このような出力特性を配慮するのが好ましい。

上記実施形態および変形例のいずれにおいても、自立運転モードでの運転時には配電盤８を介さずに、自立出力端子１５から発電機１の発電出力を取り出すことができる。したがって、停電時などにコジェネレーション装置をそのまま非常用電源として活用することが可能になる。

図５は、本実施形態に係るコジェネレーション装置の制御装置の要部機能を示すブロック図である。コイルＲＹ１９、ＲＹ２０、ＲＹ２１、ＲＹ３７は、各リレー接点つまり連系スイッチ１９、自立スイッチ２０、出力切り替えスイッチ２１、自立インタロックスイッチ３７にそれぞれ対応するリレーコイルである。

運転モード判別部２２は、コジェネレーション装置本体に設けられる選択スイッチ２３から入力された選択信号によって運転モードを判別する。連系運転モードが選択されたときには、通常は連系運転を行い、停電発生時には運転を停止する。自立運転モードが選択されたときには、通常は連系運転を行い、停電発生時には発電機１の出力が自立出力端子１５のみを接続する。

まず、連系運転モードと判別されたときには、コイルＲＹ１９、ＲＹ３７に通電して連系スイッチ１９および自立インタロックスイッチ３７をオンにしてインバータ３−２を連系出力端子１４に接続し、発電機１の発電電力を系統９と連系させて負荷１０に供給可能にする。コイルＲＹ２０は通電を停止して自立スイッチ２０をオフの状態にする。コイルＲＹ２１には通電して出力切り替えスイッチ２１をオンの状態にする。こうして、連系出力端子１４、および自立出力端子１５の双方にインバータ３−２の出力が接続される。

停電検出器２４で系統９の停電を検出したならば、コイルＲＹ１９、ＲＹ３７、ＲＹ２１への通電を停止して連系スイッチ１９、自立インタロックスイッチ３７、および出力切り替えスイッチ２１をオフにする。こうして、停電時には連系出力端子１４および自立出力端子１５のいずれにも電力は出力されない。

一方、自立運転モードと判断した場合、通常は、連系運転モードと同様にコイルＲＹ１９、ＲＹ３７、ＲＹ２１に通電し、コイルＲＹ２０には通電を停止する。そして、停電検出器２４で系統の停電を検出したならば、コイルＲＹ１９、ＲＹ３７、およびＲＹ２１の通電を停止して、コイルＲＹ２０のみに通電する。これによって連系スイッチ１９、自立インタロックスイッチ３７、および出力切り替えスイッチ２１はオフになり、自立出力端子１５のみにインバータ３−２の出力が接続される。

自立運転モードの運転と系統連系モードでの運転は選択スイッチ２３によって選択するのに限らず、外部からのリモコン信号で自立運転モードと系統連系とを選択できるようにしてもよい。また、停電検出器２４で系統９の停電を検出した場合に、エンジンＥが停止していれば、自動的にエンジンＥを始動させて自立運転モードでの運転を可能にすることもできる。

停電検出器２４は、周知のものを使用することができる。例えば、停電は系統９の位相の跳躍の有無によって判断できる。また、発電機１の出力電圧と出力周波数とを監視し、これらが所定値から外れているような異常時も停電時と同様に自立運転モードによる運転に切り替えてもよい。停電検出や異常検出、ならびに商用電力系統から解列に関しては、例えば、特開２００２−７０６０６号公報に記載した技術を使用することができる。

図６は、コジェネレーション装置の外観斜視図であり、図７は、コジェネレーション装置に設けられる操作盤の拡大図である。図６において、コジェネレーション装置１００のケーシング１００Ａは、略直方体であり、内部に、図２に記載された構成要素のうち配電盤８と、ＡＴＳ７から配電盤８までの配線と、配電盤８から電気負荷１０および系統９までの配線などを除くコジェネレーション装置１００の本体を収容する。ケーシング１００Ａの正面上部には操作盤２５が設けられる。コジェネレーション装置１００の正面下部は上部の面２６から奥に後退した面２７を有していて、面２６と面２７との間は傾斜面２８になっていて、この傾斜面２８に、コンセントつまり自立出力端子１５が露出して設けられている。自立出力端子１５は傾斜面２８に下向きに露出しているので、ごみや水滴などがこの自立出力端子１５に付着しにくい構造である。電気負荷に接続されるプラグ２９は上向きで自立出力端子１５に差し込まれる。

なお、コンセントつまり自立出力端子１５は、屋外での使用を考慮して防滴カバーを有するものとしてもよいし、コジェネレーション装置１００の正面は、必ずしも図６のような段付きの面にすることはなく、平面的に形成してあってもよい。

図７において、操作盤２５には選択スイッチ２３が設けられる。選択スイッチ２３は、オフ位置（ＯＦＦ）、自立運転モード位置（自立）、および系統連系位置（連系）を有するロータリスイッチで構成される。操作盤２５には、選択スイッチ２３の他に、表示画面３０、ガス系列設定スイッチ３１、ＬＥＤ表示灯３２、故障リセットスイッチ３３、運転条件設定スイッチ３４，３５、およびＵＳＢ端子３６等が設けられるが、本発明の要部ではないので機能等の詳細な説明は省略する。

本発明を最良の実施形態に従って説明したが、本発明は種々変形可能である。例えば、発電機１はエンジンＥで駆動されるものに限らず、燃料電池であってもよい。

本発明の一実施形態に係るコジェネレーション装置の電気出力取り出し部の単線結線図である。 本発明の一実施形態に係るコジェネレーション装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るコジェネレーション装置の電気出力取り出し部の変形例に係る単線結線図である。 本発明の一実施形態に係るコジェネレーション装置の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の一実施形態に係るコジェネレーション装置の要部機能を示すブロック図である。 外観斜視図である。 本発明の一実施形態に係るコジェネレーション装置に備える操作盤の拡大図である。

符号の説明

Ｅ…エンジン、 １…発電機、 ３…逆変換部、 ７…ＡＴＳ、 ８…配電盤、 ９…系統、 １０…電気負荷、 １１…水冷装置、 １４…連系出力端子、 １５…自立出力端子、 １６…メインブレーカ、 １７…コジェネレーション装置専用のブレーカ、 １８…負荷用スイッチ、 １９…連系スイッチ、 ２０…自立スイッチ、 ２１…出力切り替えスイッチ

Claims (5)

1. 発電装置の出力を系統に連系させる系統連系制御部と、前記発電装置による発電に伴って発生する排熱を回収する排熱回収部とを有するコジェネレーション装置において、
   前記発電装置の出力を系統と連系させて負荷へ接続する連系運転出力端子と、
   前記連系運転出力端子とは別に設けられる自立運転出力端子と、
   系統連系運転中にのみ前記発電装置の出力を前記連系運転出力端子へ接続する連系スイッチと、
   自立運転中にのみ前記発電装置の出力を前記自立運転出力端子へ接続する自立スイッチとを具備したことを特徴とするコジェネレーション装置。
2. 前記連系スイッチの系統側端子を前記自立運転出力端子へ接続する出力切り替えスイッチを設けるとともに、
   前記出力切り替えスイッチが、系統連系運転中にのみオンに切り替えられるように構成されていることを特徴とする請求項１記載のコジェネレーション装置。
3. 前記自立運転出力端子が、コジェネレーション装置本体に設けられていることを特徴とする請求項１または２記載のコジェネレーション装置。
4. 前記発電装置が、エンジンと、このエンジンで駆動される発電機とで構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のコジェネレーション装置。
5. 前記発電装置が、燃料電池であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のコジェネレーション装置。
   

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