JP2006191767A

JP2006191767A - コージェネレーションシステム

Info

Publication number: JP2006191767A
Application number: JP2005002452A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Ozawa; 由規小澤; Hironori Sato; 裕紀佐藤; Daiki Tanaka; 大樹田中; Shunsaku Nakai; 俊作中井
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2005-01-07
Filing date: 2005-01-07
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2025-01-07
Also published as: JP4798597B2

Abstract

【課題】交流発電機の発電電力を遮断することなく、インバータの入力側の直流電力の電圧を一定に制御することができるコージェネレーションシステムを提供する。
【解決手段】インバータ１０の入力側の直流電力の電圧を検知するための電圧検知手段３４と、コンバータ８からインバータ１０に送給される直流電力の一部を消費する発熱手段３６と、発熱手段３６を作動制御するためのスイッチング手段３８と、スイッチング手段３８を導通制御するための制御手段４０とを備えたコージェネレーションシステム。電圧検知手段３４の検知電圧が第１設定電圧値を超えると、制御手段４０はスイッチング作動信号を生成し、このスイッチング作動信号に基づきスイッチング手段３８を導通状態にし、コンバータ８からインバータ１０への直流電力の一部が発熱手段３６にて消費され、これにより、インバータ１０の入力側の直流電圧が一定に保たれる。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱電併給装置からの発電電力を電力負荷に供給するとともに、熱電併給装置の排熱を回収して温水として貯えるコージェネレーションシステムに関する。

近年、エネルギーを有効に利用してその効率を高めるために、電力と熱を利用したコージェネレーションシステムが提案され実用に供されている。このコージェネレーションシステムは、電力及び熱を発生する熱電併給装置と、熱電併給装置からの発電電力を所定の直流電力に変換するためのコンバータと、コンバータからの直流電力を交流電力に変換するためのインバータとを備えている。インバータからの交流電力は商用電源と系統連系されており、インバータ及び商用電源からの交流電力は電力負荷に供給される。

熱電併給装置は、例えば、エンジンと、このエンジンによって駆動される交流発電機とから構成され、交流発電機により発生される発電出力は、エンジンの出力軸の回転数が大きくなると大きくなり、その出力軸の回転数が小さくなると小さくなり、その出力軸の回転数により変動する。このように交流発電機の発電出力が変動すると、インバータの入力側の直流電圧が変動し、この入力側電圧の変動によってインバータの出力側の交流電圧も変動し、商用電源に系統連系されるインバータの出力電圧が不安定になる。

そこで、コンバータをサイリスタなどの半導体整流素子から構成したコージェネレーションシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このコージェネレーションシステムでは、交流発電機の発電出力に応じて半導体整流素子が導通制御され、発電出力が大きいときには、半導体整流素子が非導通状態となって交流発電機の出力電流を遮断し、このようにしてインバータの入力側の直流電圧が一定となるように制御される。

特開２００２−２０４５９６号公報

しかしながら、上述のような従来のコージェネレーションシステムでは、次のような問題がある。インバータの入力側における直流電圧を一定に維持するために、コンバータを構成する半導体整流素子を導通制御して交流発電機の出力電流を遮断すると、この出力電流に高調波成分が発生し、この高調波成分により交流発電機の鉄損が増加し、その結果、交流発電機の総合力率が低下してその発電効率が著しく低下してしまうという問題が生じる。

本発明の目的は、交流発電機の出力電流を遮断することなく、インバータの入力側における直流電圧を一定に制御することができるコージェネレーションシステムを提供することである。

本発明の他の目的は、システム全体の運転効率を高めることができるコージェネレーションシステムを提供することである。

本発明の請求項１に記載のコージェネレーションシステムは、電力及び熱を発生する熱電併給装置と、前記熱電併給装置からの発電電力を所定の直流電力に変換するためのコンバータと、前記コンバータからの直流電力を交流電力に変換するためのインバータとを具備し、前記インバータからの交流電力は商用電源と系統連系され、前記インバータ及び前記商用電源からの交流電力が電力負荷に供給されるコージェネレーションシステムであって、
前記インバータの入力側の直流電圧を検知するための電圧検知手段と、前記コンバータから前記インバータに送給される直流電力の一部を消費する発熱手段と、前記発熱手段を制御するためのスイッチング手段と、前記スイッチング手段を導通制御するための制御手段とが設けられており、
前記電圧検知手段の検知電圧が第１設定電圧値を超えると、前記制御手段はスイッチング作動信号を生成し、前記スイッチング作動信号に基づき前記スイッチング手段を導通状態にし、前記コンバータから前記インバータへの直流電力の一部が前記発熱手段に送給さて消費されることを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載のコージェネレーションシステムでは、前記制御手段は、前記スイッチング手段の導通時間が設定時間を超えると出力低下信号を生成し、前記出力低下信号に基づいて前記熱電併給装置の発電出力を低下させることを特徴とする。

また、本発明の請求項３に記載のコージェネレーションシステムでは、前記熱電併給装置は、エンジンと、このエンジンによって駆動される交流発電機とから構成され、前記エンジンには、その吸気流路を通して送給される空気の供給量を制御するためのスロットル弁が設けられており、前記制御手段は、前記出力低下信号に基づいて前記スロットル弁の開度が小さくなるように制御し、これによって、前記熱電併給装置の発電出力が低下することを特徴とする。

また、本発明の請求項４に記載のコージェネレーションシステムでは、前記熱電併給装置は、エンジンと、このエンジンによって駆動される交流発電機とから構成され、前記エンジンには、前記エンジンに供給される燃料の供給量を制御するための燃料供給バルブが設けられており、前記制御手段は、前記出力低下信号に基づいて前記燃料供給バルブの開度が小さくなるように制御し、これによって、前記熱電併給装置の発電出力が低下することを特徴とする。

また、本発明の請求項５に記載のコージェネレーションシステムでは、前記熱電併給装置は燃料電池から構成されており、前記燃料電池には、前記燃料電池に供給される燃料量を制御するための燃料供給バルブが設けられており、前記制御手段は、前記出力低下信号に基づいて前記燃料供給バルブの開度が小さくなるように制御し、これによって、前記熱電併給装置の発電出力が低下することを特徴とする。

また、本発明の請求項６に記載のコージェネレーションシステムでは、前記熱電併給装置から発生する熱を回収して温水として貯えるための熱回収貯湯装置が設けられ、前記発熱手段は前記熱回収貯湯装置に関連して設けられており、前記スイッチング手段が導通状態になって前記コンバータから前記インバータへの直流電力の一部が前記発熱手段に送給されると、前記発熱手段にて発生する熱が前記熱回収貯湯装置に温水として回収されることを特徴とする。

また、本発明の請求項７に記載のコージェネレーションシステムでは、前記制御手段は、前記電圧検知手段の検知電圧が第１設定電圧値より小さい第２設定電圧値より低下すると出力上昇信号を生成し、前記出力上昇信号に基づいて前記熱電併給装置の出力を上昇させることを特徴とする。

また、本発明の請求項８に記載のコージェネレーションシステムでは、前記電力負荷の負荷変動を吸収するための負荷変動吸収手段が設けられており、前記負荷変動吸収手段は、前記熱電併給装置から前記電力負荷に送給される電力の一部を消費する電力消費手段と、前記電力消費手段を作動制御するための開閉手段と、前記開閉手段を導通制御するための駆動制御手段と、前記電力負荷の負荷変動を検知するための負荷変動検知手段とから構成されており、
前記負荷変動検知手段が前記電力負荷の負荷低下を検知すると、前記駆動制御手段は負荷低下信号を生成し、前記負荷低下信号に基づき前記開閉手段を導通状態にし、前記熱電併給装置の発電電力の一部が前記電力消費手段に送給されて消費されることを特徴とする。

本発明の請求項１に記載のコージェネレーションシステムによれば、電力を消費するための発熱手段と、この発熱手段を制御するためのスイッチング手段と、スイッチング手段を導通制御するための制御手段が設けられる。そして、電圧検知手段の検知電圧が第１設定電圧値を超えると、制御手段はスイッチング作動信号を生成し、このスイッチング作動信号に基づきスイッチング手段を導通状態にし、コンバータからインバータへの直流電力の一部が発熱手段に送給されるので、交流発電機の出力電流を遮断することなくインバータの入力側の直流電圧を一定に制御することができ、これによって、インバータの出力電圧も一定に維持することができる。したがって、交流発電機の出力電流に高調波成分が発生することがなく、交流発電機の発電効率が低下するのを防止することが可能となる。尚、このようなスイッチング手段として半導体スイッチング素子、例えばＭＯＳＦＥＴを用いることができる。

また、本発明の請求項２に記載のコージェネレーションシステムによれば、制御手段は、スイッチング手段の導通時間が設定時間を超えると熱電併給装置の発電出力を低下させるので、熱電併給装置の発電出力の大きい運転状態が継続しているときには、その発電出力を低下させてインバータの入力側に過大な電圧が印加されるのを防止することが可能となる。

また、本発明の請求項３に記載のコージェネレーションシステムによれば、熱電併給装置はエンジン及びこれにより駆動される交流発電機の組合せから構成され、このエンジンに関連して、エンジンの吸気流路を通して送給されるする空気の送給量を制御するためのスロットル弁が設けられている。このようなシステムでは、制御手段は出力低下信号に基づいてスロットル弁の開度が小さくなるように制御するので、熱電併給装置の発電出力を低下させることができる。

また、本発明の請求項４に記載のコージェネレーションシステムによれば、熱電併給装置はエンジン及びこれにより駆動される交流発電機の組合せから構成され、このエンジンに関連して、エンジンに供給される燃料の供給量を制御するための燃料供給バルブが設けられている。このようなシステムでは、制御手段は出力低下信号に基づいて燃料供給バルブの開度が小さくなるように制御するので、熱電併給装置の発電出力を低下させることができる。

また、本発明の請求項５に記載のコージェネレーションシステムによれば、熱電併給装置は燃料電池から構成され、この燃料電池に関連して、燃料電池に供給される燃料の供給量を制御するための燃料供給バルブが設けられている。このようなシステムでは、制御手段は出力低下信号に基づいて燃料供給バルブの開度が小さくなるように制御するので、熱電併給装置の発電出力を低下させることができる。

また、本発明の請求項６に記載のコージェネレーションシステムによれば、スイッチング手段が導通状態となって発熱手段が発熱すると、発生する熱は温水として熱回収貯湯装置に回収されるので、この発熱手段からの熱を有効に利用することができ、その結果、コージェネレーションシステム全体での熱利用効率を向上させることが可能となる。

また、本発明の請求項７に記載のコージェネレーションシステムによれば、制御手段は、電圧検知手段の検知電圧が第２設定電圧値より低下すると出力上昇信号を生成するので、熱電併給装置の発電出力が小さい運転状態になったときは、その発電出力を上昇させてインバータの入力側の電圧を所定電圧に維持することができる。

また、本発明の請求項８に記載のコージェネレーションシステムによれば、電力負荷の負荷変動を吸収するための負荷変動吸収手段が設けられ、この負荷変動吸収手段は電力消費手段、開閉手段、駆動制御手段及び負荷変動検知手段を備えている。電力負荷が低下すると、負荷変動検知手段による負荷変動の検知に基づいて駆動制御手段は負荷低下信号を生成し、この負荷低下信号に基づき開閉手段を導通状態にするので、熱電併給装置の発電出力の一部（例えば、コンバータからインバータに送給される直流電力の一部、又はインバータから電力負荷に送給される交流電力の一部）が電力消費手段に送給されて消費され、したがって、負荷変動を瞬時に吸収することができ、インバータの入力側に過大な電圧が印加されるのを防止することが可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明に従うコージェネレーションシステムの各種実施形態について説明する。
第１の実施形態
まず、図１〜図３を参照して、第１の実施形態のコージェネレーションシステムについて説明する。図１は、本発明によるコージェネレーションシステムの全体を示す概略構成図であり、図２は、図１のコージェネレーションシステムの制御系を示すブロック図であり、図３は、図１のコージェネレーションシステムの制御の流れを示すフローチャートである。

図１において、本発明によるコージェネレーションシステム２は、電力及び熱を発生する熱電併給装置４と、熱電併給装置４から発生する熱を回収して温水として貯えるための熱回収貯湯装置６と、熱電併給装置４からの発電電力を所定の直流電力に変換するためのコンバータ８と、コンバータ８からの直流電力を交流電力に変換するためのインバータ１０とを具備している。以下、このコージェネレーションシステム２の各構成要素について詳細に説明する。

熱電併給装置４は、エンジン１２及びこのエンジン１２によって駆動される交流発電機１４の組合せから構成されており、この熱電併給装置４からは電力及び熱が発生される。エンジン１２には、その吸気流路（図示せず）を通してエンジン１２の燃焼室（図示せず）に送給される空気の送給量を制御するためのスロットル弁１６が設けられており、このスロットル弁１６は、例えばステッピングモータなどの電動モータ１８によって回転駆動される。すなわち、スロットル弁１６は、電動モータ１８に供給されるパルス信号によってその開度が制御され、例えば出力上昇信号（後述する）が１パルス送給されると、このスロットル弁１６の開度が出力増加側（すなわち、開度大側）に一段階大きくなり、また例えば出力低下信号（後述する）が１パルス送給されると、このスロットル弁１６の開度が出力低下側（すなわち、開度小側）に一段階小さくなり、このようにスロットル弁１６の開度を調整することによって、エンジン１２の軸出力（すなわち、エンジン１２の回転数）が制御される。

また、エンジン１２には、その吸気流路へ供給する燃料の送給量を制御するための燃料供給バルブ（図示せず）が設けられており、この燃料供給バルブは、駆動手段（例えば、電動モータ、電磁ソレノイドなどから構成される）に供給される駆動信号によってその開度が制御され、燃料供給バルブを通して供給される燃料、例えば燃料ガス（都市ガスなど）が空気流路を流れる空気流に送給されて混合される。

熱電併給装置４は、さらに、エンジン１２からの冷却水を循環するための冷却水循環流路２０を含み、この冷却水循環流路２０に冷却水循環ポンプ（図示せず）が配設され、冷却水循環ポンプの作用によって、冷却水が冷却水循環流路２０を通して循環される。

交流発電機１４は、例えば同期発電機などから構成され、エンジン１２の出力軸２２に駆動連結されている。したがって、エンジン１２が稼働すると、その出力軸２２が所定方向に回転駆動され、この出力軸２２を介して交流発電機１４が作動して交流電力（すなわち、発電電力）を発生する。

熱回収貯湯装置６は、温水を貯える貯湯タンク２４と、貯湯タンク２４の温水を循環する温水循環流路２６とを含み、熱電併給装置４の冷却水循環流路２０と熱回収貯湯装置温水循環流路２６との間には熱交換器２８が配設されている。この熱交換器２８は、冷却水循環流路２０を流れる冷却水と温水循環流路２６を流れる温水（又は水）との間で熱交換を行い、エンジン１２の排熱（冷却水の熱）が冷却水循環流路２０を流れる冷却水及び温水循環流路２６を流れる温水（又は水）を介して温水として貯湯タンク２４に貯えられ、このように貯えられる温水は、給湯用の温水として利用される。

交流発電機１４にで発電された交流電力はコンバータ８に送給される。コンバータ８は、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置であり、いわゆるＡＣ／ＤＣコンバータから構成されている。このコンバータ８の入力側は、熱電併給装置４の交流発電機１４に接続され、またその出力側は電力ライン３０を介してインバータ１０の入力側に接続されている。インバータ１０は、直流電力を交流電力（商用電源３２の交流電力と同様の交流電力であって、例えば２００Ｖの３相交流電力）に変換する電力変換装置であり、例えばＩＧＢＴなどの半導体素子から構成される。このインバータ１０からの交流電力は、商用電源３２と系統連系され、商用電源３２及びインバータ１０からの交流電力が電力負荷６６に送給され、これら交流電力が電力負荷６６、例えば空調装置、各種機械装置、照明装置などにおいて消費される。

図１とともに図２を参照して、このコージェネレーションシステム２においては、インバータ１０の入力側における直流電圧を検知するための電圧検知手段３４が設けられており、この電圧検知手段３４の検知電圧が上昇すると、コンバータ８からインバータ１０に送給される直流電力の一部が消費されるように構成されている。即ち、電圧検知手段３４に関連して、直流電力を消費するための発熱手段３６と、この発熱手段３６を制御するためのスイッチング手段３８と、スイッチング手段３８を導通制御するための制御手段４０とが設けられている。電圧検知手段３４は電力ライン３０に設けられており、コンバータ８からインバータ１０に送給される直流電力の電圧を検知し、この検知電力信号が制御手段４０に送給される。発熱手段３６は例えば電気ヒータから構成され、この発熱手段３６に電流が流れると発熱する。この発熱手段３６はスイッチング手段３８と直列的に接続され、このスイッチング手段３８が導通状態になると、コンバータ８からインバータ１０に送給される直流電力の一部がスイッチング手段を介して発熱手段３６に送給される。このスイッチング手段３８は、例えばＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子から構成される。

この実施形態では、発熱手段３６は熱電併給装置４の冷却水循環流路２０に配設され、発熱手段３６により発生される熱によって冷却水が加熱されるように構成されている。したがって、この発熱手段３６による発生熱は、熱交換器２８における熱交換によって、冷却水循環流路２０を流れる温水及び温水循環流路２６を流れる温水（又は水）を介して温水として貯湯タンク２４に貯えられる。なお、発熱手段３６は、熱回収貯湯装置６の温水循環流路２６又は貯湯タンク２４に設けるようにしてもよい。

制御手段４０は、例えばマイクロプロセッサなどから構成され、電圧上昇判定手段４４、スイッチング作動信号生成手段４６、導通時間演算手段５０、導通時間判定手段５２、開度ダウン信号生成手段５４、作動制御手段５６及び記憶手段５８を含んでいる。記憶手段５８には、電圧上昇の基準となる第１設定電圧値（例えば、４００Ｖ）及び導通時間の基準となる設定時間（例えば、５０ｍｓ）が記憶されている。電圧上昇判定手段４４は、電圧検知手段３４の検知電圧と記憶手段５４の第１設定電圧値（例えば、４００Ｖ）とを比較し、検知電圧が第１設定電圧値を超えると電圧上昇と判定し、スイッチング作動信号生成手段４６は、電圧上昇判定手段４４が電圧上昇と判定するとスイッチング作動信号を生成し、このスイッチング作動信号に基づいてスイッチング手段３８が導通状態となる。また、導通時間演算手段５０は、スイッチング手段３８が導通状態に保持されている時間を演算し、導通時間判定手段５２は、導通時間演算手段５０による演算導通時間と記憶手段５８の設定時間（例えば、５０ｍｓ）とを比較し、演算導通時間が設定時間を超えると継続電圧上昇と判定し、開度ダウン信号生成手段５４は出力低下信号としての開度ダウン信号を生成し、この開度ダウン信号に基づいてスロットル弁１６の開度が小さくなるように制御される。なお、第１設定電圧値は、インバータ１０の出力側における交流電圧（例えば、２００Ｖ）よりも高く、且つインバータ１０を構成する半導体素子の耐電圧（例えば、６００Ｖ）よりも小さい値であれば、その値を適宜設定することが可能であり、また設定時間についても、１００ｍｓなどの適宜の時間に設定可能である。

このコージェネレーションシステム２では、さらに、電圧検知手段３４の検知電圧が低下すると、交流発電機１４の発電電力が大きくなってコンバータ８からインバータ１０に送給される直流電力の電圧が上昇するように構成されている。すなわち、制御手段４０は、電圧低下判定手段６０及び開度アップ信号生成手段６２を含み、記憶手段５８には、電圧低下の基準となる第２設定電圧値が記憶され、この第２設定電圧値は第１設定電圧値よりも小さい電圧値（例えば、３９８Ｖ）に設定される。電圧低下判定手段６０は、電圧検知手段３４の検知電圧と記憶手段５８の第２設定電圧値（例えば、３９８Ｖ）とを比較し、この検知電圧が第２設定電圧値よりも低下すると電圧低下と判定し、開度アップ信号生成手段６２は、電圧低下判定手段６０の電圧低下の判定に基づいて、出力上昇信号としての開度アップ信号を生成し、この開度アップ信号に基づいてスロットル弁１６の開度が大きくなるように制御される。

このコージェネレーションシステム２の動作を説明すると、次の通りである。熱電併給装置４の運転が行われる（ステップＳ１）と、エンジン１２により交流発電機１４が駆動され、交流発電機１４にて発生した発電電力（交流電力）がコンバータ８に送給され、このコンバータ８にて直流電力に変換された後にインバータ１０に送給される。インバータ１０の入力側における直流電圧は、後述するように例えば４００Ｖに維持される。このようにインバータ１０に送給された直流電力は、例えば三相交流の２００Ｖ，６０Ｈｚの交流電力に変換された後に電力負荷６６に送給され、この電力負荷６６にて消費される。また、商用電源３２からも同様に、例えば三相交流の２００Ｖ，６０Ｈｚの交流電力が電力負荷６６に供給される。また、熱電併給装置４の冷却水循環流路２０を流れる冷却水と、熱回収貯湯装置６の温水循環流路２６を流れる温水との間で熱交換が行われ、エンジン１２の排熱が冷却水循環流路２０を流れる冷却水及び温水循環流路２６を流れる温水を介して貯湯タンク２４に温水として貯えられる。このような稼働状態においては、電圧検知手段３４はインバータ１０の入力側の直流電圧（すなわち、電力ライン３０における直流電力の電圧）を検知し（ステップＳ２）、この検知電圧が制御手段４０に送給される。

このような電力供給状態において、電圧検知手段３４の検知電圧が第１設定電圧値（例えば、４００Ｖ）を超えると、ステップＳ３からステップＳ４に進み、電圧上昇判定手段４４は電圧上昇と判定し、スイッチング作動信号生成手段４６はスイッチング作動信号を生成し、生成されたスイッチング作動信号がスイッチング手段３８に送給され、このスイッチング手段３８が導通状態となる（ステップＳ５）。かく導通状態になると、コンバータ８からインバータ１０に送給される直流電力の一部がスイッチング手段３８を介して発熱手段３６に送給され、この発熱手段３６が付勢されて発熱し（ステップＳ６）、この直流電力の一部が発熱手段３６で消費される。このように発熱手段３６が付勢されると、発熱手段３６により冷却水循環流路２０を流れる冷却水が加熱され、この加熱された温水と温水循環流路２６を流れる温水（又は水）との間で熱交換され、発生した熱が温水として貯湯タンク２４に貯えられ、発生した熱を有効に回収することができる。

このようにしてスイッチング手段３８が導通状態になると、導通時間演算手段５０はこの導通状態の時間を演算する（ステップＳ７）。電圧検知手段３４は継続してインバータ１０の入力側の直流電力の電圧を検知する（ステップＳ８）。インバータ１０に供給される直流電力の一部が発熱手段３６により消費されると、この直流電力の電圧が低下し、この電圧が上記第１設定電圧値まで低下すると、ステップＳ９からステップＳ１０に進み、導通時間演算手段５０による導通時間の演算が終了し、その導通時間がリセットされてステップＳ２に戻る。

一方、インバータ１０に送給される直流電力の一部を発熱手段３６で消費しても電圧検知手段３４の検知電圧が第１設定電圧値まで低下しない場合には、スイッチング手段３８が導通状態に保たれ、このような導通状態が所定時間（例えば、５０ｍｓ）継続する、換言すると導通時間演算手段５０が所定時間を演算すると、導通時間判定手段５２は継続電圧上昇と判定し、開度ダウン信号生成手段５４は開度ダウン信号を生成し（ステップＳ１２）、また導通時間演算手段５０による導通時間の演算が終了し、その演算導通時間がリセットされる（ステップＳ１３）。開度ダウン信号が生成されると、この開度ダウン信号が電動モータ１８に送給され、この開度ダウン信号に基づいて電動モータ１８がスロットル弁１６を出力低下方向（閉じる方向）に１段階回動させ（ステップＳ１４）、これによって、エンジン２に送給される空気量が減少してエンジン２の出力が低下し、交流発電機１４の発電出力も低下し、その後ステップＳ２に戻る。このように交流発電機１４の発電出力が大きい場合には、スロットル弁１６の開度を小さくしてその発電出力を低下させるので、電力負荷６６に対して発電出力が大きくなるのを防止することができる。

電圧検知手段３４の検知電圧が下がってステップＳ２に戻ると、ステップＳ３を経てステップＳ１５に進み、スイッチング手段３８が非導通状態となり、発熱手段３６が除勢され（ステップＳ１６）、ステップＳ１７からステップＳ２に戻る。

このような稼働状態において、電圧検知手段３４の検知電圧が第２設定電圧値（例えば、３９８Ｖ）より低くなると、ステップＳ１７からステップＳ１８に進み、電圧低下判定手段６０は電圧低下と判定し、開度アップ信号生成手段６２は開度アップ信号を生成する（ステップＳ１８）。このように開度アップ信号が生成されると、この開度アップ信号が電動モータ１８に送給され、この開度アップ信号に基づいて電動モータ１８がスロットル弁１６を出力増加方向（開く方向）に１段階回動させ（ステップＳ１９）、これによって、エンジン２に送給される空気量が増加してエンジン２の出力が上昇し、交流発電機１４の発電出力も上昇し、その後ステップＳ２に戻る。このように交流発電機１４の発電出力が小さい場合には、スロットル弁１６の開度を大きくしてその発電出力を増大させるので、インバータ１０に送給させる直流電力の電圧を一定に維持することができる。

以上のようにして、従来のように交流発電機１４の出力電流を遮断することなく、インバータ１０の入力側における直流電圧を一定に制御することができる。したがって、交流発電機１４の出力電流の高調波成分の発生もなく、交流発電機１４の発電効率の低下も抑えることができる。

なお、本実施形態では、制御手段４０によってスロットル弁１６の開度を制御するようにしているが、これに代えて、燃料供給バルブの開度を制御するようにしてもよい。この場合、開度アップ信号生成手段６２が開度アップ信号（出力増加信号）を生成すると、この開度アップ信号に基づいて燃料供給バルブを出力増加方向（開く方向）に１段作動させて燃料の供給量を増加するようにし、また開度ダウン信号生成手段５４が開度ダウン信号（出力低下信号）を生成すると、この開度ダウン信号に基づいて燃料供給バルブを出力低下方向（閉じる方向）に１段作動させて燃料の供給量を少なくするようにすればよい。

第２の実施形態
次に、図４を参照して、第２の実施形態のコージェネレーションシステムについて説明する。図４は、第２の実施形態によるコージェネレーションシステムを示す概略図である。なお、以下の実施形態において、第１の実施形態と実質上同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

第２の実施形態のコージェネレーションシステム２Ａでは、熱電併給装置４Ａは燃料電池６８から構成されており、コンバータ８Ａは、いわゆるＤＣ／ＤＣコンバータから構成されている。燃料電池６８からの発電電力は、例えば３０〜７５Ｖ程度の直流電力であり、この直流電力はコンバータ８Ａに送給される。そして、このコンバータ８Ａにて所定の直流電圧に昇圧され、コンバータ８Ａからの直流電力はインバータ１０へと送給され、このインバータ１０にて所定周波数の交流電力に変換された後に電力負荷６６に送給される。

燃料電池６８には、原燃料を改質するための燃料改質装置７０が設けられ、この燃料改質装置７０に送給される燃料の送給量を制御するための燃料供給バルブ７２が設けられる。原燃料として例えば都市ガスなどが用いられ、燃料改質装置７０は原燃料を水素を主体とした燃料ガスに改質して、この改質燃料ガスを燃料電池６８に供給して燃料電池反応を行って発電が行われる。制御手段４２Ａは、この燃料供給バルブ７２の開度を制御することにより燃料電池６８の発電電力（すなわち、熱電併給装置４Ａの発電出力）を制御する。この第２の実施形態におけるその他の構成は、上述した第１の実施形態と実質上同一である。

このコージェネレーションシステム２Ａにおいても、上述したと同様に制御される。すなわち、インバータ１０の入力側の直流電力の電圧が第１設定電圧値を超えると、制御手段４０Ａがスイッチング手段３８を導通状態にし、コンバータ８Ａからインバータ１０に送給される直流電力の一部がスイッチング手段３８を介して発熱手段３６に送給されて消費される。また、スイッチング手段３８の導通状態が設定時間継続して行われると、上述したと同様に、制御手段４０Ａは出力低下信号（開度ダウン信号に相当する）を生成して燃料供給バルブ７２の開度を出力低下方向（閉じる方向）に１段作動させ、これによって、熱電併給装置４Ａの発電出力が低下する。また、電圧検知手段３４の検知電圧が第２設定電圧値まで低下したときには、制御手段４０Ａは出力上昇信号（開度アップ信号に相当する）を生成して燃料供給バルブ７２の開度を出力増加方向（開く方向）に１段作動させ、これによって、熱電併給装置４Ａの発電出力が上昇する。このように、熱電併給装置４Ａとして燃料電池６８を用いた場合においても、第１の実施形態と同様の作用効果を達成することができる。

第３の実施形態
次に、図５を参照して、第３の実施形態のコージェネレーションシステムについて説明する。図５は、第３の実施形態によるコージェネレーションシステムの一部を示す概略図である。

図５において、第３の実施形態のコージェネレーションシステム２Ｂでは、第１実施形態のコージェネレーションシステム２の基本的構成に加えて、負荷変動吸収手段７４が設けられている。この負荷変動吸収手段７４は、電力負荷６６の負荷変動を検知するための負荷変動検知手段７６と、コンバータ８からインバータ１０へ送給される直流電力の一部を消費するための電力消費手段７８と、電力消費手段７８を作動制御するための開閉手段８０と、開閉手段８０を導通制御するための駆動制御手段８２とから構成されている。

負荷変動検知手段７６は、電力負荷６６の負荷状態を検知し、電力負荷６６にて消費される電力が瞬間的に減少した場合に負荷変動（負荷低下）と判定する。電力消費手段７８は例えば可変抵抗から構成されており、この電力消費手段７８は開閉手段８０と直列的に接続されている。開閉手段８０は、例えば遮断器などから構成され、開閉制御手段８８（後述する）からの負荷低下信号により閉状態（導通状態）となり、開閉制御手段８８からの負荷増加信号により開状態（非導通状態）となる。開閉手段８０が非導通状態のときには、電力消費手段７８は付勢されず、導通状態となると、電力消費手段７８が付勢されて、コンバータ８からインバータ１０へ送給される直流電力の一部が電力消費手段７８にて消費される。

駆動制御手段８２は、例えばマイクロプロセッサなどで構成され、負荷低下信号生成手段８４、負荷増加信号生成手段８５、抵抗値調整手段８６及び開閉制御手段８８を含んでいる。負荷低下信号生成手段８４は、負荷変動検知手段７６からの検知信号に基づき電力負荷６６の負荷状態が大きく低下したときに負荷低下信号を生成する。また、負荷増加信号生成手段８５は、開閉手段８０の導通状態において電力負荷６６の負荷状態が増加して元の状態に戻ったときに負荷増加信号を生成する。抵抗値調整手段８６は、生成された負荷低下信号に基づいて、電力消費手段７８の抵抗値を調整する。また、開閉制御手段８８は、生成された負荷低下信号及び負荷増加信号に基づいて開閉手段８０を導通制御する。

次に、この負荷変動吸収手段７４を備えたコージェネレーションシステム２Ｂの動作について説明する。電力負荷６６が通常の負荷状態であるときには、開閉手段８０は非導通状態となっている。したがって、熱電併給装置４からの発電電力と商用電源３２からの商用電力とが電力負荷６６に供給され、これら双方からの電力が電力負荷６６で消費される。

この電力供給状態において、電力負荷６６を構成する複数の負荷（図示せず）の一部が非作動状態となってこの一部の負荷に対するその電力供給が停止されると、電力負荷６６にて瞬間的な負荷低下（すなわち、負荷変動）が発生し、電力負荷６６で消費される電力が瞬間的に減少し、これにより負荷変動検知手段７６は負荷低下を検知する。このように負荷低下を検知すると、負荷低下信号生成手段８４は、負荷変動検知手段７６からの検知信号に基づいて負荷低下信号を生成し、この負荷低下信号に基づいて、抵抗値調整手段８６は電力消費手段７８の抵抗値を調整し、電力消費手段７８にて消費される電力と電力負荷６６の遮断された負荷における電力とがほぼ等しくなるように調整するとともに、開閉制御手段８８は開閉手段８０を導通状態に切り替える。このように導通状態になると、コンバータ８からインバータ１０へ送給される直流電力の一部が電力消費手段７８に送給され、この電力消費手段７８にて電力が消費され、このように電力を消費することによって、電力負荷６６の変動によりインバータ１０に送給される直流電力の電圧が急激に上昇するのを防止することができる。

開閉手段８０の導通状態において、電力負荷６６が元の状態に戻る、すなわち非作動状態となっていた負荷が再び作動されると、負荷変動検知手段７６はこの負荷上昇を検知し、この負荷上昇に基づいて負荷増加信号生成手段８５が負荷増加信号を生成し、この負荷増加信号に基づいて開閉制御手段８８は開閉手段８０を非導通状態に切り替え、電力消費手段７８での電力消費が終了し、熱電併給装置４からの全発電電力はコンバータ８及びインバータ１０を経て電力負荷６６に送給され、この電力負荷６６で消費される。

このように負荷変動を吸収することにより、次のような効果が得られる。熱電併給装置４がエンジン及び交流発電機（図示せず）から構成されている場合、このエンジン及び交流発電機は慣性力が大きく、電力負荷６６の瞬間的な負荷変動に対して追従することができず、それ故に、電力負荷６６にて負荷低下が発生した瞬間にエンジンの回転数が急上昇し、それに伴い熱電併給装置４の発電出力が上昇してインバータ１０の入力側に過大な電圧が印加される恐れがある。そこで、上述したように、電力負荷６６に負荷低下が発生した瞬間に開閉手段８０を導通状態にして、コンバータ８からの直流電力の一部を電力消費手段７８に送給してこの負荷変動を吸収することにより、エンジンの回転が急上昇するのを防止でき、その結果、インバータ１０の入力側に過大な電圧が印加されるのを防止することができる。

なお、電力消費手段７８は、コンバータ８の入力側に設けて、熱電併給装置４からの発電電力の一部を消費させるようにしてもよく、あるいは、インバータ１０の出力側に設けて、インバータからの交流電力の一部を消費させるようにしてもよい。この場合においても、上記と同様の効果を得ることができる。また、電力消費手段７８を固定抵抗で構成し、抵抗値調整手段８６を省略することも可能である。このような負荷変動吸収手段７４は、第１及び第２の実施形態のコージェネレーションシステム２，２Ａにも同様に適用することができる。

以上、本発明に従う種々のコージェネレーションシステムの実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。

本発明によるコージェネレーションシステムの第１の実施形態の全体を示す概略構成図。図１のコージェネレーションシステムの制御系を示すブロック図。図１のコージェネレーションシステムの制御の流れを示すフローチャート。本発明に従うコージェネレーションシステムの第２の実施形態の全体を示す概略図。本発明に従うコージェネレーションシステムの第３の実施形態の一部を簡略的に示す概略図。

符号の説明

２，２Ａ，２Ｂコージェネレーションシステム
４，４Ａ熱電併給装置
６熱回収貯湯装置
８，８Ａコンバータ
１０インバータ
１２エンジン
１４交流発電機
１６スロットル弁
３２商用電源
３４電圧検知手段
３６発熱手段
３８スイッチング手段
４０，４０Ａ制御手段
６６電力負荷
６８燃料電池
７２燃料供給バルブ
７４負荷変動吸収手段
７６負荷変動検知手段
７８電力消費手段

Claims

電力及び熱を発生する熱電併給装置と、前記熱電併給装置からの発電電力を所定の直流電力に変換するためのコンバータと、前記コンバータからの直流電力を交流電力に変換するためのインバータとを具備し、前記インバータからの交流電力は商用電源と系統連系され、前記インバータ及び前記商用電源からの交流電力が電力負荷に供給されるコージェネレーションシステムであって、
前記インバータの入力側の直流電圧を検知するための電圧検知手段と、前記コンバータから前記インバータに送給される直流電力の一部を消費する発熱手段と、前記発熱手段を制御するためのスイッチング手段と、前記スイッチング手段を導通制御するための制御手段とが設けられており、
前記電圧検知手段の検知電圧が第１設定電圧値を超えると、前記制御手段はスイッチング作動信号を生成し、前記スイッチング作動信号に基づき前記スイッチング手段を導通状態にし、前記コンバータから前記インバータへの直流電力の一部が前記発熱手段に送給さて消費されることを特徴とするコージェネレーションシステム。
前記制御手段は、前記スイッチング手段の導通時間が設定時間を超えると出力低下信号を生成し、前記出力低下信号に基づいて前記熱電併給装置の発電出力を低下させることを特徴とする請求項１に記載のコージェネレーションシステム。
前記熱電併給装置は、エンジンと、このエンジンによって駆動される交流発電機とから構成され、前記エンジンには、その吸気流路を通して送給される空気の供給量を制御するためのスロットル弁が設けられており、前記制御手段は、前記出力低下信号に基づいて前記スロットル弁の開度が小さくなるように制御し、これによって、前記熱電併給装置の発電出力が低下することを特徴とする請求項２に記載のコージェネレーションシステム。
前記熱電併給装置は、エンジンと、このエンジンによって駆動される交流発電機とから構成され、前記エンジンには、前記エンジンに供給される燃料の供給量を制御するための燃料供給バルブが設けられており、前記制御手段は、前記出力低下信号に基づいて前記燃料供給バルブの開度が小さくなるように制御し、これによって、前記熱電併給装置の発電出力が低下することを特徴とする請求項２に記載のコージェネレーションシステム。
前記熱電併給装置は燃料電池から構成されており、前記燃料電池には、前記燃料電池に供給される燃料量を制御するための燃料供給バルブが設けられており、前記制御手段は、前記出力低下信号に基づいて前記燃料供給バルブの開度が小さくなるように制御し、これによって、前記熱電併給装置の発電出力が低下することを特徴とする請求項２に記載のコージェネレーションシステム。
前記熱電併給装置から発生する熱を回収して温水として貯えるための熱回収貯湯装置が設けられ、前記発熱手段は前記熱回収貯湯装置に関連して設けられており、前記スイッチング手段が導通状態になって前記コンバータから前記インバータへの直流電力の一部が前記発熱手段に送給されると、前記発熱手段にて発生する熱が前記熱回収貯湯装置に温水として回収されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のコージェネレーションシステム。
前記制御手段は、前記電圧検知手段の検知電圧が第１設定電圧値より小さい第２設定電圧値より低下すると出力上昇信号を生成し、前記出力上昇信号に基づいて前記熱電併給装置の出力を上昇させることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のコージェネレーションシステム。
前記電力負荷の負荷変動を吸収するための負荷変動吸収手段が設けられており、前記負荷変動吸収手段は、前記熱電併給装置から前記電力負荷に送給される電力の一部を消費する電力消費手段と、前記電力消費手段を作動制御するための開閉手段と、前記開閉手段を導通制御するための駆動制御手段と、前記電力負荷の負荷変動を検知するための負荷変動検知手段とから構成されており、
前記負荷変動検知手段が前記電力負荷の負荷低下を検知すると、前記駆動制御手段は負荷低下信号を生成し、前記負荷低下信号に基づき前記開閉手段を導通状態にし、前記熱電併給装置の発電電力の一部が前記電力消費手段に送給されて消費されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のコージェネレーションシステム。