JP2006169995A

JP2006169995A - マイクロガスタービン発電システム及び捕機電力供給方法

Info

Publication number: JP2006169995A
Application number: JP2004361016A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kishida; 寛之岸田
Original assignee: Takuma Co Ltd
Current assignee: Takuma Co Ltd
Priority date: 2004-12-14
Filing date: 2004-12-14
Publication date: 2006-06-29

Abstract

【課題】系統電源を必要とせずに自立運転可能なガス圧縮機を備えたマイクロガスタービン発電システムを提供する。
【解決手段】燃焼器１０、ガスタービン１１、圧縮機１２、発電機１４を備えてなるマイクロガスタービン発電ユニット１と、内蔵インバータ４０から供給される交流電力により外部から供給される燃料ガスを圧縮して燃焼器１４に供給するガス圧縮機４と、発電機１４が発生する交流電力を直流電力に変換するコンバータ２０と、コンバータ２０の直流出力を、直流バス２１を介して入力し所定の電圧及び周波数の交流電力に変換するインバータ２２と、直流バス２１に接続し、直流バス２１の直流電力を電圧変換した直流電力をガス圧縮機４の内蔵インバータ４０の内部直流バスに対し供給するＤＣ／ＤＣコンバータ２９と、直流バス２１との間で、充放電制御用のコンローラ２６を介して直流電力の充放電を行うバッテリ２７と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、都市ガス等の燃料ガスを燃料とするマイクロガスタービンにより発電するマイクロガスタービン発電システムに関し、特に、マイクロガスタービンの排熱を回収して熱電併給可能なマイクロガスタービン発電システムに関する。

比較的小規模な各種工場、店舗、事務所、集合住宅等で単独または複数台を組み合せて使用されるマイクロガスタービン発電システムとして、下記の特許文献１に開示されたガスタービンコージェネレーションシステムがある。

特許文献１に開示された従来のマイクロガスタービン発電システムは、図４に示すように、マイクロガスタービン発電ユニット１、電力変換ユニット２、排熱回収ユニット３、ガス圧縮機４、及び、制御盤５を備えて構成される。マイクロガスタービン発電ユニット１は、燃焼器１０、ガスタービン１１、圧縮機１２、再生器１３、及び、発電機１４等を備えてなり、電力変換ユニット２は、発電機１４が発生する交流電力を直流電力に変換するコンバータ２０、コンバータ２０の直流出力を、直流バス２１を介して入力し交流電力に変換するインバータ２２、保護継電器２３、変圧器２４、ブレーカ２５、バッテリコントローラ２６、バッテリ（蓄電池）２７等を備えてなり、排熱回収ユニット３は、ガスタービン１１から排出される高温の排ガスで循環温水を加熱して排熱回収する排熱回収熱交換器３０、温水循環ポンプ３１、貯湯タンク３２等を備えてなる。ガス圧縮機４は、都市ガス等の燃料ガスを昇圧して燃焼器１０に供給する。また、制御盤５は上記各ユニット１〜３の制御を行う。

マイクロガスタービン発電ユニット１では、ガス圧縮機４で昇圧された燃料ガスが燃焼器１０に送入され、また、燃焼用空気が圧縮機１２で圧縮され、再生器１３でガスタービン１１から排出される高温の排ガスによって加熱された後、燃焼器１０に送入され、燃焼器１０において混合燃焼される。ガスタービン１１は、燃焼器１０での燃焼によって生成される高温燃焼ガスにより高速回転し、これに同軸で直結した発電機１４を回転させて発電するとともに、圧縮機１２を作動させる。ここで、マイクロガスタービンは、その特性上、ガスエンジンのように燃料ガスを自給できないため、ガス圧縮機４が燃料ガスをガスタービン１１の燃焼器１０内の圧力以上に昇圧する必要がある。

電力変換ユニット２では、発電機１４で発生した高周波数（例えば、１６００Ｈｚ）の交流電力がコンバータ２０で直流電力に変換され、直流バス２１を介してインバータ２２で系統電源５０（商用交流電力、例えば、３相２００Ｖ）と同じ周波数（５０または６０Ｈｚ）の交流電力に変換され、保護継電器２３を経由して変圧器２４で系統電源と同じ２００Ｖに降圧された後、ブレーカ２５を経由して送電端２８から、系統電源５０と連系して電力負荷５１に供給される。尚、バッテリ２７は、発電機１４の余剰電力を充電し、系統停電時等の自立運転時における電力負荷５１の高負荷時にバッテリ２７を放電させて、不足した電力を補うようにバッテリコントローラ２６によって制御される。

排熱回収ユニット３では、温水配管を循環する温水を排熱回収熱交換器３０で加熱し、貯湯タンク３２で供給熱量を調整しながら熱負荷３３に熱供給を行う。

特許文献１には、特に明示されていないが、ガス圧縮機４、温水循環ポンプ３１、図４には図示されていないマイクロガスタービン発電システムを収容するパッケージ内の換気を行うための換気ファン等のマイクロガスタービン発電システムの動作に係る捕機は、図５に示すように、電力負荷５１の一部として系統電源またはマイクロガスタービン発電システムの発電電力によって電力供給が賄われる。つまり、各捕機には３相２００Ｖが供給される。従って、マイクロガスタービン発電システム外の電力負荷に対しては、送電端における発電出力から捕機駆動用の捕機電力を差し引いた電力が供給されるため、見かけ上は発電出力が低下した状態となる。
特開２００２−４９４２号公報

しかしながら、系統電源を必要としない自立運転においては、ガスタービン１１は、バッテリ２７により発電機１４を起動モータとして起動可能であるが、一般に使用されているバッテリの出力電圧が、捕機に用いられている３相２００Ｖ用の汎用インバータの直流バスの電圧値（約２８３Ｖ）より低いため、バッテリ２７からの直接の電力供給ではガス圧縮機４が作動せずに、マイクロガスタービンは着火に至らず運転を継続できなくなる。

また、仮に、バッテリの出力電圧が汎用インバータの直流バスの電圧値に適合したとしても、バッテリ２７から直接に電力供給を行うと、当該電力供給のための放電を、別途捕機電力供給を制御するコントローラを設けて制御する必要がある。また、バッテリ２７の充電及び放電を予定して制御プログラムが設定されているバッテリコントローラ２６では、捕機電力供給のための放電が予定されていないため、当該放電によって当該制御プログラムがバッテリ２７に対する充放電制御を誤動作する可能性がある。このため、捕機電力供給を予定していないバッテリコントローラ２６の制御プログラムを大幅に変更する必要が生じる。

従って、捕機電力供給を系統電源から賄うことを前提として設計されたマイクロガスタービン発電システムは、ガスタービン１１がバッテリ起動しても自立運転できないという問題がある。

かかる問題は、例えば、米国等のようにガスタービンの燃焼器へ直接送入可能な高圧の燃料ガス供給システムが整備されている場合、或いは、高圧の燃料ガスを別途準備した高圧ボンベから供給可能な場合等のガス圧縮機４を必要としないマイクロガスタービン発電システムでは、重要な問題とはならない。しかし、我が国のようにかかる高圧燃料ガスの供給システムが整備されていない状況では、捕機電力供給を系統電源から賄うことを前提として設計されたマイクロガスタービン発電システムに汎用インバータを内蔵した安価なガス圧縮機を組み合わせただけでは、自立運転可能なマイクロガスタービン発電システムは実現できないことになる。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、上記問題点を解消し、系統電源を必要とせずに自立運転可能なガス圧縮機を備えたマイクロガスタービン発電システム、及び、ガス圧縮機への電力供給方法を提供することにある。

この目的を達成するための本発明に係るマイクロガスタービン発電システムは、燃焼器、ガスタービン、圧縮機、及び、前記ガスタービンの軸回転により交流電力を発生する発電機を備えてなるマイクロガスタービン発電ユニットと、内蔵インバータから供給される交流電力により外部から供給される燃料ガスを圧縮して前記燃焼器に供給するガス圧縮機と、前記発電機が発生する交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータの直流出力を、直流バスを介して入力し所定の電圧及び周波数の交流電力に変換するインバータと、前記直流バスに接続し、前記直流バスの直流電力を電圧変換した直流電力を前記ガス圧縮機の前記内蔵インバータの内部直流バスに対し供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記直流バスとの間で、充放電制御用のコンローラを介して直流電力の充放電を行うバッテリと、を備えてなることを第１の特徴とする。

上記第１の特徴のマイクロガスタービン発電システムによれば、マイクロガスタービン発電ユニットの運転時においては、発電機の発電電力が、インバータから電力負荷に供給されるとともに、ガス圧縮機へはＤＣ／ＤＣコンバータを介してガス圧縮機の内蔵インバータの内部直流バスに対し電圧変換された直流電力が供給されるため、燃焼器へは昇圧された燃料ガスが供給され、マイクロガスタービン発電ユニットは運転を継続することができる。更に、マイクロガスタービン発電ユニットの始動時においては、コンバータの入力と出力を反転させ、バッテリの放電によって直流バスに供給される直流電力をコンバータにより交流電力に変換し、その交流電力により発電機を起動用モータとしてガスタービンを起動させ、直流バスに供給される直流電力をＤＣ／ＤＣコンバータで電圧変換してガス圧縮機の内蔵インバータの内部直流バスに対し供給することでガス圧縮機が作動して燃料ガスが昇圧されて燃焼器へ送入される。燃焼用空気はガスタービンの起動により圧縮機で圧縮され燃焼器へ送入されるため、燃焼器への高圧燃料ガスと高圧燃焼用空気の供給が起動後も継続され、燃焼が持続するため、マイクロガスタービン発電ユニットが始動するとともに、継続的な自立運転が可能となる。一旦、マイクロガスタービン発電ユニットが始動すると、直流バスへは、マイクロガスタービン発電ユニット側から電力供給されるため、直流バスへのバッテリ側からの電力供給は不要となる。

また、マイクロガスタービン発電ユニットの運転時におけるガス圧縮機への電力供給を考慮した発電効率を考えると、燃料ガスの消費量が同じであれば、従来の送電端で捕機電力を供給するマイクロガスタービン発電システムと、上記特徴の本発明システムでは、マイクロガスタービン発電ユニットの発電出力の内の補機電力として消費される部分が、直流バスから送電端に至るまでのインバータ及びその下流側に通常設置される変圧トランス等の総合損失を差し引いた変換効率と、ＤＣ／ＤＣコンバータの変換効率を比較した場合に、一般に後者の変換効率の方が高いため、本発明システムの方が、送電端でマイクロガスタービン発電ユニットの捕機以外の電力負荷に供給可能な正味の発電出力が高くなり、発電効率が実質的に向上する。

更に、上記第１の特徴のマイクロガスタービン発電システムは、前記マイクロガスタービンの排ガスから熱回収する熱交換器を備えていることを第２の特徴とする。

上記第２の特徴のマイクロガスタービン発電システムによれば、燃料ガスの燃焼により発生する熱エネルギの有効利用が図れ、総合的なエネルギ変換効率の向上が図れる。更に、マイクロガスタービン発電システムの送電端での発電出力を捕機電力分の低下を補ってマイクロガスタービン発電ユニットの発電出力を上昇させた場合に、燃料ガスの燃焼により発生する熱エネルギも同時に増加するために、従来の送電端で捕機電力を供給するマイクロガスタービン発電システムと、送電端における発電出力を同じにした場合、総合的なエネルギ変換効率は本発明システムの方が高くなる。

更に、上記何れかの特徴のマイクロガスタービン発電システムは、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの直流出力を、前記ガス圧縮機以外の捕機を駆動するための交流電力を出力する捕機用インバータに入力することを第３の特徴とする。

上記第３の特徴のマイクロガスタービン発電システムによれば、換気ファン等のガス圧縮機以外の捕機に対しても効率良く捕機電力を供給できる。

更に、上記何れかの特徴のマイクロガスタービン発電システムは、前記内蔵インバータが商用交流電力を入力可能な交流入力端子と、直流電力を入力可能な直流端子を備えた汎用インバータであることを第４の特徴とする。

上記第４の特徴のマイクロガスタービン発電システムによれば、内蔵インバータとして商用交流電力を入力可能な汎用インバータを使用したガス圧縮機と捕機電力供給を系統電源から賄うことを前提として設計されたマイクロガスタービン発電システムとを組み合わせて、ＤＣ／ＤＣコンバータの直流出力を直流端子から入力することにより自立運転可能なマイクロガスタービン発電システムを実現できる。

上記目的を達成するための本発明に係る捕機電力供給方法は、燃焼器、ガスタービン、圧縮機、及び、前記ガスタービンの軸回転により交流電力を発生する発電機を備えてなるマイクロガスタービン発電ユニットと、外部から供給される燃料ガスを圧縮して前記燃焼器に供給するガス圧縮機と、前記発電機が発生する交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータの直流出力を、直流バスを介して入力し所定の電圧及び周波数の交流電力に変換するインバータと、前記直流バスとの間で、充放電制御用のコンローラを介して直流電力の充放電を行うバッテリと、を備えてなるマイクロガスタービン発電システムにおける、前記ガス圧縮機への電力供給を行うための捕機電力供給方法であって、前記直流バスに接続するＤＣ／ＤＣコンバータを用いて、前記直流バスの直流電力を電圧変換した直流電力を前記ガス圧縮機の前記内蔵インバータの内部直流バスに対し供給することを特徴とする。

上記特徴の本発明に係る捕機電力供給方法によれば、マイクロガスタービン発電ユニットの運転時においては、発電機の発電電力が、インバータから電力負荷に供給されるとともに、ガス圧縮機へはＤＣ／ＤＣコンバータを介してガス圧縮機の内蔵インバータの内部直流バスに対し電圧変換された直流電力が供給されるため、燃焼器へは昇圧された燃料ガスが供給され、マイクロガスタービン発電ユニットは運転を継続することができる。更に、マイクロガスタービン発電ユニットの始動時においては、コンバータの入力と出力を反転させ、バッテリの放電によって直流バスに供給される直流電力をコンバータにより交流電力に変換し、その交流電力により発電機を起動用モータとしてガスタービンを起動させ、直流バスに供給される直流電力をＤＣ／ＤＣコンバータで電圧変換してガス圧縮機の内蔵インバータの内部直流バスに対し供給することでガス圧縮機が作動して燃料ガスが昇圧されて燃焼器へ送入される。燃焼用空気はガスタービンの起動により圧縮機で圧縮され燃焼器へ送入されるため、燃焼器への高圧燃料ガスと高圧燃焼用空気の供給が起動後も継続され、燃焼が持続するため、マイクロガスタービン発電ユニットが始動するとともに、継続的な自立運転が可能となる。一旦、マイクロガスタービン発電ユニットが始動すると、直流バスへは、マイクロガスタービン発電ユニット側から電力供給されるため、直流バスへのバッテリ側からの電力供給は不要となる。

また、マイクロガスタービン発電ユニットの運転時におけるガス圧縮機への電力供給を考慮した発電効率を考えると、燃料ガスの消費量が同じであれば、従来の送電端で捕機電力を供給するマイクロガスタービン発電システムにおける捕機電力を供給方法と、上記特徴の本発明に係る捕機電力供給方法では、マイクロガスタービン発電ユニットの発電出力の内の補機電力として消費される部分が、直流バスから送電端に至るまでのインバータ及びその下流側に通常設置される変圧トランス等の総合損失を差し引いた変換効率と、ＤＣ／ＤＣコンバータの変換効率を比較した場合に、一般に後者の変換効率の方が高いため、本発明に係る捕機電力供給方法の方が、送電端でマイクロガスタービン発電ユニットの捕機以外の電力負荷に供給可能な正味の発電出力が高くなり、発電効率が実質的に向上する。

本発明に係るマイクロガスタービン発電システム及び捕機電力供給方法（以下、夫々を適宜「本発明システム」及び「本発明方法」という。）の実施の形態につき、図面に基づいて説明する。尚、図４に示す従来のマイクロガスタービン発電システムと重複する構成要素には同じ符号を付して説明する。

図１に示すように、本発明システムは、マイクロガスタービン発電ユニット１、電力変換ユニット２、排熱回収ユニット３、ガス圧縮機４、及び、制御盤５を備えて構成される。マイクロガスタービン発電ユニット１は、図１に示すように、燃焼器１０、ガスタービン１１、圧縮機１２、再生器１３、及び、発電機１４等を備えてなる。

電力変換ユニット２は、図１及び図２に示すように、発電機１４が発生する交流電力を直流電力に変換するコンバータ２０、コンバータ２０の直流出力を、直流バス２１を介して入力し交流電力に変換するインバータ２２、保護継電器２３、変圧器２４、ブレーカ２５、バッテリコントローラ２６、バッテリ（蓄電池）２７、ＤＣ／ＤＣコンバータ２９等を備えてなる。尚、コンバータ２０は、双方向コンバータで、マイクロガスタービン発電ユニット１の始動時において、直流バス２１の直流電力を交流電力に変換して起動用モータとして作動する発電機１４に供給可能に構成されている。また、インバータ２２は、双方向インバータで、マイクロガスタービン発電ユニット１の始動時において、後述する混合運転モードにおいて系統電源５０が正常な時には、ブレーカ２５、変圧器２４、保護継電器２３を逆に経由してインバータ２２の出力端に入力される系統電源５０の交流電力を直流電力に変換して直流バス２１に供給する。

また、本実施形態では、本発明システムが系統連系運転と系統連系しない自立運転が可能なように、電力変換ユニット２は、系統連系運転用に保護継電器２３を備え、自立運転用にバッテリコントローラ２６とバッテリ２７を備えている。従って、本発明システムは、系統連系せずに単独で自立運転する自立運転モードと、系統正常時に系統連系運転し、系統停電時に自動的に自立運転する混合運転モードが可能な構成となっている。

排熱回収ユニット３は、図１に示すように、ガスタービン１１から排出される高温の排ガスで循環温水を加熱して排熱回収する排熱回収熱交換器３０、温水循環ポンプ３１、貯湯タンク３２等を備えてなる。

ガス圧縮機４は、都市ガス等の燃料ガス（例えば、都市ガス１３Ａ）を例えば０．６ＭＰａに昇圧して定格吐出流量２０Ｎｍ^３／ｈｒで燃焼器１０に供給する。ガス圧縮機４は、例えば、全閉外扇三相かご誘導型電動機を使用したスクリュ型一段圧縮油冷式の圧縮機で、容量制御方式がインバータによる回転速度制御で、始動方式がインバータによるインバータ始動のものを用いる。ガス圧縮機４の内蔵インバータ４０は、図３に示すような汎用インバータ回路を備えてなり、３相２００Ｖ入力端子Ｕ、Ｖ、Ｗを備え、制御信号（図示せず）によりスイッチングトランジスタＴのオンオフを制御して周波数、出力電力を制御する。また、内蔵インバータ４０は、正負両極の内部直流バスに夫々直流端子Ｐ、Ｎを備え、３相２００Ｖ入力に代えて外部から直流電力入力が可能な構成となっている。直流端子Ｐ、Ｎ間の直流入力電圧は２８３Ｖである。尚、ガス圧縮機４及び内蔵インバータ４０の仕様並びに構成は、上記実施形態のものに限定されるものではない。

また、制御盤５は、マイクロコンピュータ等を用いて構成され、上記各ユニット１〜３の制御を行う。

マイクロガスタービン発電ユニット１では、ガス圧縮機４で昇圧された燃料ガスが燃焼器１０に送入され、また、燃焼用空気が圧縮機１２で圧縮され、再生器１３でガスタービン１１から排出される高温の排ガスによって加熱された後、燃焼器１０に送入され、燃焼器１０において混合燃焼される。ガスタービン１１は、燃焼器１０での燃焼によって生成される高温燃焼ガスにより高速回転し、これに同軸で直結した発電機１４を回転させて発電するとともに、圧縮機１２を作動させる。ここで、マイクロガスタービンは、その特性上、ガスエンジンのように燃料ガスを自給できないため、ガス圧縮機４が燃料ガスをガスタービン１１の燃焼器１０内の圧力以上（本実施形態では、例えば、０．６ＭＰａ）に昇圧する必要がある。

電力変換ユニット２では、マイクロガスタービン発電ユニット１の運転時においては、発電機１４で発生した高周波数（例えば、１６００Ｈｚ）の交流電力がコンバータ２０で直流電力（例えば、約７６０Ｖ）に変換され、直流バス２１を介してインバータ２２で系統電源（商用交流電力、例えば、３相２００Ｖ）と同じ周波数（５０または６０Ｈｚ）の交流電力（例えば、３相４８０Ｖ）に変換され、変圧器２４で系統電源と同じ２００Ｖに降圧された後、ブレーカ２５を経由して送電端２８から出力される。本発明システムの送電端２８からの発電出力は、系統電源５０と連系して、或いは、単独で電力負荷５１に供給される。尚、バッテリ２７は、負荷追従運転しない一定出力時における発電機１４の発電出力の余剰電力を充電し、自立運転モード及び混合運転モードの自立運転時において電力負荷５１の（例えば、モータ起動時の起動電流による）高負荷時にバッテリ２７を放電させて、発電出力で不足する電力（例えば、モータ起動電力）を補うようにバッテリコントローラ２６によって制御される（充放電モード）。ＤＣ／ＤＣコンバータ２９は、直流バス２１に接続し、直流バス２１上の約７６０Ｖの直流電力を約２８０Ｖの直流電力に電圧変換して出力する。本実施形態では、図２に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２９の出力が、ガス圧縮機４の内蔵インバータ４０の直流端子Ｐ、Ｎに接続し、内蔵インバータ４０への電力供給が、交流入力端子Ｕ、Ｖ、Ｗからではなく、直流端子Ｐ、Ｎから行われる。

電力変換ユニット２では、マイクロガスタービン発電ユニット１の始動時に、自立運転モード及び混合運転モードの自立運転時においては、バッテリコントローラ２６の放電制御により直流バス２１にバッテリ２７から直流電力が出力され（放電モード）、また、混合運転モードの系統連系運転時においては、系統電源５０の交流電力が、ブレーカ２５、変圧器２４、保護継電器２３を逆に経由してインバータ２２の出力端に入力され、インバータ２２により直流電力に変換され直流バス２１に出力される。そして、直流バス２１の直流電力が、コンバータ２０で交流電力に変換され、起動用モータとして作動する発電機１４に供給されるため、発電機１４の回転によりガスタービン１１が起動される。同時に、直流バス２１上の直流電力がＤＣ／ＤＣコンバータ２９を介して、ガス圧縮機４の内蔵インバータ４０の直流端子Ｐ、Ｎに供給され、ガス圧縮機４の燃料ガスの昇圧が行われるため、燃焼器１０へは昇圧された燃料ガスが送入される。また、発電機１４の回転により圧縮機１２も作動し、燃焼用空気も圧縮されて燃焼器１０へ送入され、燃焼器１０で昇圧された燃料ガスと燃焼用空気の混合ガスによる混合燃焼が発生する。これにより、起動したガスタービン１１が継続運転可能となる。一旦、マイクロガスタービン発電ユニット１が起動し、発電を開始すると、コンバータ２０は発電機１４の交流出力を直流電力に変換して直流バス２１に出力する。また、自立運転モード及び混合運転モードの自立運転時においては、バッテリ２７は、始動時の放電モードから電力負荷５１の負荷状態に応じた充放電モードに移行する。

排熱回収ユニット３では、排熱回収熱交換器３０が、温水配管を循環する熱媒体である温水を、ガスタービン１１から排出される高温の排ガスで加熱する。排熱回収熱交換器３０で加熱された温水は、温水循環ポンプ３１により温水配管を循環しながら熱負荷３３に熱供給を行う。排熱回収熱交換器３０で回収した熱量が熱負荷３３に対して余剰が生じる場合は、その余剰熱量を温水として貯湯タンク３２に蓄熱し、供給熱量を調整する。尚、排熱回収ユニット３の構成は、図１に示す構成に限定されるものではなく、例えば、更に熱交換器を備えて、別の温水供給系統への熱供給を行う構成としても構わない。また、貯湯タンク３２は必ずしも設けなくても構わない。更に、熱回収熱交換器３０で加熱する熱媒体は温水（水）に限定されるものではない。

次に、本発明システムと図４に示す従来のマイクロガスタービン発電システム（以下、「従来システム」という。）の発電効率について、図２及び図５を参照しながら比較検討する。

電力変換ユニット２の各機器の損失を考慮し、本発明システムと従来システムとの比較において、マイクロガスタービン発電ユニット１の燃料消費量を同じに合わせて、ガス圧縮機４以外の電力負荷５１へ供給される送電端２８での発電出力を比較する。両者において、燃料消費量が同じであるので、送電端２８での発電出力の大きい方が、発電効率が高いと言える。

各機器の効率は、定格近傍で一定であるとして、マイクロガスタービン発電ユニット１のエンジン効率をηｇ、コンバータ２０の変換効率をηｃ、インバータ２２の変換効率をηｉ、変圧器２４の変換効率をηｔ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２９の変換効率をηｐとする。また、本発明システムの燃料消費量をＱｇ［ｋＷ］、ガス圧縮機４で消費される捕機電力をＰｆ［ｋＷ］、送電端２８での発電出力をＰｏｕｔ［ｋＷ］とし、従来システムの燃料消費量をＱ’ｇ［ｋＷ］、ガス圧縮機４で消費される捕機電力をＰ’ｆ［ｋＷ］、送電端２８での発電出力をＰ’ｏｕｔ［ｋＷ］とする。本発明システムと従来システムの各送電端２８での発電出力は、以下の数１及び数２で表される。

（数１）
Ｐｏｕｔ＝｛Ｑｇ×ηｇ×ηｃ−（Ｐｆ／ηｐ）｝×ηｉ×ηｔ

（数２）
Ｐ’ｏｕｔ＝Ｑ’ｇ×ηｇ×ηｃ×ηｉ×ηｔ−Ｐ’ｆ

ここで、本発明システムと従来システムで燃料消費量は同じであるので、Ｑｇ＝Ｑ’ｇ、更に、燃料消費量（流量）が同じ場合、ガス圧縮機４の消費電力は同じであるので、Ｐｆ＝Ｐ’ｆであるから、数２は、数３に示すようになる。更に、数１と数３より、以下の数４が導かれる。

（数３）
Ｐ’ｏｕｔ＝Ｑｇ×ηｇ×ηｃ×ηｉ×ηｔ−Ｐｆ

（数４）
Ｐｏｕｔ＝Ｐ’ｏｕｔ＋Ｐｆ−（Ｐｆ／ηｐ）×ηｉ×ηｔ
＝Ｐ’ｏｕｔ＋Ｐｆ（１−ηｉ×ηｔ／ηｐ）

通常、ＤＣ／ＤＣコンバータ２９の変換効率ηｐの方が、インバータ２２の変換効率ηｉと変圧器２４の変換効率ηｔの積より大きいから、数４の右辺第２項は正値となり、数５の関係が導かれ、本発明システムの方が、従来システムより実効的な発電効率が高くなることが分かる。

（数５）
Ｐｏｕｔ＞Ｐ’ｏｕｔ

以下に、別の実施形態につき説明する。
〈１〉上記実施形態では、図１及び図２において、本発明システムの動作に係る捕機として、ガス圧縮機４がＤＣ／ＤＣコンバータ２９から捕機電力の供給を受ける場合を示したが、ＤＣ／ＤＣコンバータ２９から捕機電力の供給を受ける捕機として、ガス圧縮機４以外に、本発明システムを収容するパッケージ内の換気を行うための換気ファン等の他の捕機を追加しても構わない。

また、ガス圧縮機４以外の捕機は、従来システムと同様に、送電端２８から電力供給するようにしても構わない。

〈２〉上記実施形態では、マイクロガスタービン発電ユニット１は、燃焼器１０、ガスタービン１１、圧縮機１２、再生器１３、及び、発電機１４等を備えた構成のものを例示したが、再生器１３を用いないマイクロガスタービン発電ユニットであっても構わない。

〈３〉上記実施形態では、本発明システムは、排熱回収ユニット３を備えた熱電併給システムである場合を例示したが、排熱回収ユニット３を具備しない発電専用システムであっても構わない。

〈４〉上記実施形態では、本発明システムは、図１において、系統電源５０と系統連系する混合運転モードが可能な構成を例示したが、系統連系せずに単独で自立運転する自立運転モードだけ可能な構成であっても構わない。尚、後者の場合は、系統連系しないため、保護継電器２３を備える必要は無い。

〈５〉上記実施形態では、本発明システムの送電端２８での発電電力は、３相２００Ｖを想定して説明したが、発電電力は、３相２００Ｖに限定されるものではなく、例えば、単相３線式１００Ｖ／２００Ｖであっても構わない。

また、電力変換ユニット２の各機器の出力電圧は、図２に例示する上記実施形態に限定されるものではなく、適宜変更可能である。

〈６〉尚、上記実施形態の本発明システムは、自立運転モード及び混合運転モードが可能な構成となっているが、自立運転しない系統連系運転モードも可能である。自立運転が不要な場合は、電力変換ユニット２においてバッテリコントローラ２６とバッテリ２７を設ける必要は無い。また、系統連系運転モードおいても、ＤＣ／ＤＣコンバータ２９の出力が、ガス圧縮機４の内蔵インバータ４０へ直流電力を供給することにより発電効率が向上する点は、本発明システムの構成と同様である。

本発明に係るマイクロガスタービン発電システムの一実施形態におけるシステム構成を示すブロック図本発明に係るマイクロガスタービン発電システムの一実施形態における電力変換ユニットの構成を示す単線結線図本発明に係るマイクロガスタービン発電システムの一実施形態におけるガス圧縮機の内蔵インバータの主回路の簡略構成を示す回路図従来のマイクロガスタービン発電システムのシステム構成例を示すブロック図従来のマイクロガスタービン発電システムの電力変換ユニットの構成を示す単線結線図

符号の説明

１：マイクロガスタービン発電ユニット
２：電力変換ユニット
３：排熱回収ユニット
４：ガス圧縮機
５：制御盤
１０：燃焼器
１１：ガスタービン
１２：圧縮機
１３：再生器
１４：発電機
２０：コンバータ
２１：直流バス
２２：インバータ
２３：保護継電器
２４：変圧器
２５：ブレーカ
２６：バッテリコントローラ
２７：バッテリ
２８：送電端
２９：ＤＣ／ＤＣコンバータ
３０：排熱回収熱交換器
３１：温水循環ポンプ
３２：貯湯タンク
３３：熱負荷
４０：内蔵インバータ
５０：系統電源（商用交流電力）
５１：電力負荷
Ｃ：平滑コンデンサ
Ｄ：ダイオード
Ｐ、Ｎ：直流端子
Ｔ：スイッチングトランジスタ
Ｕ、Ｖ、Ｗ：交流入力端子
Ｐｆ：本発明システムの捕機電力
Ｐ’ｆ：従来システムの捕機電力
Ｐｏｕｔ：本発明システムの送電端での発電出力
Ｐ’ｏｕｔ：従来システムの送電端での発電出力
Ｑｇ：本発明システムの燃料消費量
Ｑ’ｇ：従来システムの燃料消費量
ηｇ：エンジン効率
ηｃ：コンバータの変換効率
ηｉ：インバータの変換効率
ηｔ：変圧器の変換効率
ηｐ：ＤＣ／ＤＣコンバータの変換効率

Claims

燃焼器、ガスタービン、圧縮機、及び、前記ガスタービンの軸回転により交流電力を発生する発電機を備えてなるマイクロガスタービン発電ユニットと、
内蔵インバータから供給される交流電力により外部から供給される燃料ガスを圧縮して前記燃焼器に供給するガス圧縮機と、
前記発電機が発生する交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記コンバータの直流出力を、直流バスを介して入力し所定の電圧及び周波数の交流電力に変換するインバータと、
前記直流バスに接続し、前記直流バスの直流電力を電圧変換した直流電力を前記ガス圧縮機の前記内蔵インバータの内部直流バスに対し供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記直流バスとの間で、充放電制御用のコンローラを介して直流電力の充放電を行うバッテリと、
を備えてなることを特徴とするマイクロガスタービン発電システム。
前記マイクロガスタービンの排ガスから熱回収する熱交換器を備えていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロガスタービン発電システム。
前記ＤＣ／ＤＣコンバータの直流出力を、前記ガス圧縮機以外の捕機を駆動するための交流電力を出力する捕機用インバータに入力することを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロガスタービン発電システム。
前記内蔵インバータが商用交流電力を入力可能な交流入力端子と、直流電力を入力可能な直流端子を備えた汎用インバータであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のマイクロガスタービン発電システム。
燃焼器、ガスタービン、圧縮機、及び、前記ガスタービンの軸回転により交流電力を発生する発電機を備えてなるマイクロガスタービン発電ユニットと、
外部から供給される燃料ガスを圧縮して前記燃焼器に供給するガス圧縮機と、
前記発電機が発生する交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記コンバータの直流出力を、直流バスを介して入力し所定の電圧及び周波数の交流電力に変換するインバータと、
前記直流バスとの間で、充放電制御用のコンローラを介して直流電力の充放電を行うバッテリと、を備えてなるマイクロガスタービン発電システムにおける、前記ガス圧縮機への電力供給を行うための捕機電力供給方法であって、
前記直流バスに接続するＤＣ／ＤＣコンバータを用いて、前記直流バスの直流電力を電圧変換した直流電力を前記ガス圧縮機の前記内蔵インバータの内部直流バスに対し供給することを特徴とする捕機電力供給方法。