JP2006217767A - コジェネレーション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 停電時に屋内配線を経由させないで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１７と自立スイッチ１８とを設ける。系統連系運転時、インバータ３−２を介した発電機１の出力は連系スイッチ１７および自立インタロックスイッチ１６を介して配電盤８で系統９からの電力と連系される。連系した電力は電気負荷１０に供給される。停電等で系統から解列して自立運転する時は、まず、連系スイッチ１７をオフにし、その後に自立スイッチ１８をオンにする。自立運転時の発電機１の出力は自立スイッチ１８を経由して自立出力端子１５から取り出し可能である。連系スイッチ１７と自立出力端子１５との間に出力切替スイッチ１９を設け、系統連系運転時は、このスイッチ１９をオンにして、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が、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の運転を停止して、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構成されていた。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は系統に対する連系を解列して、自動的に自立運転に切替える切替機能を有す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、前記発電機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出力端子と、前記連系出力端子とは別に発電出力を独立して取り出す自立出力端子と、系統連系運転中に前記発電装置の出力を前記連系出力端子へ接続する連系スイッチと、自立運転中に前記発電装置の出力を前記自立出力端子へ接続する自立スイッチと、前記連系スイッチの系統側および前記自立スイッチの系統側を接続する出力切替スイッチと、前記系統の異常発生毎に前記連系スイッチをオフにするとともに、停電の継続状態が確認されたときに前記出力切替スイッチをオフにし、その後に前記自立スイッチをオンにする切替制御手段とを具備した点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記切替制御手段が、前記自立スイッチがオン状態のときに前記系統に系統電圧が生じた場合には、該系統電圧が所定時間継続した後に前記自立スイッチをオフにし、その後に前記出力切替スイッチをオンにするように構成された点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記切替制御手段が、前記出力切替スイッチをオンにした後に、前記連系スイッチをオンにするように構成された点に第３の特徴がある。

第１の特徴を有する本発明によれば、系統連系運転および自立運転いずれの際においても、自立出力端子から電力を取り出すことができるので、停電時等に、電力を必要とする負荷を発電装置に接続して運転し、非常用電源として活用することが可能になる。

特に、系統停電時にコジェネレーション装置の発電出力は自立出力端子からのみとなり、自立出力端子にかかる電圧は系統側から分離される。

第２の特徴によれば、復電時に電圧が所定の系統電圧になり安定的に復電したことを確認して系統連系運転に復帰するので、復電時に不安定状態が発生しても、この不安定による悪影響を回避できるとともに、系統電圧が確保されることにより、発電装置からのみ連系システム内（例えば、家庭内）の全負荷へ電力供給されることを回避できる。

第３の特徴によれば、自立出力端子に接続されている負荷を含む連系システム内の全負荷に系統から電力供給されている状態で、連系運転を開始することができる。

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機能する。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系統連系機能、つまり系統連系制御部を有する。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等に関して後述する。

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（ラジエータ）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、非常用電源としてこのコジェネレーション装置を自立運転することができる。系統連系時と自立運転時の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１６およびこのスイッチ１６に直列接続された連系スイッチ１７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１８を介してインバータ３−２に接続される。さらに、自立インタロックスイッチ１６および連系スイッチ１７の間と自立端子１５および自立スイッチ１８の間とを結ぶラインには、出力切替スイッチ１９が設けられる。

連系出力端子１４はコジェネレーション装置１００専用のブレーカ２０およびメインブレーカ２１を介して系統９に接続される。また、ブレーカ２０と並列に子ブレーカ２２が設けられる。電気負荷１０は、子ブレーカ２２およびコジェネレーション装置１００専用のブレーカ２０を介して連系出力端子１４に接続されるとともに、子ブレーカ２２およびメインブレーカ２１を介して系統９に接続される。ブレーカ２０、メインブレーカ２１、および子ブレーカ２２は、配電盤８に含まれる。連系出力端子１４での電位を測定するための電圧検出器２３が設けられる。

上記構成により、発電機１の発電電力は、連系出力端子１４を介して系統９と連系されて電気負荷１０に供給されるとともに、自立スイッチ１８を介して自立出力端子１５から外部に引き出すことができる。また、自立出力端子１５には、出力切替スイッチ１９および自立インタロックスイッチ１６、並びにブレーカ２０およびメインブレーカ２１を介して系統９からの電力を引き出すことができる。

系統連系時、自立インタロックスイッチ１６、連系スイッチ１７および出力切替スイッチ１９がオンに切り替えられ、自立スイッチ１８はオフに切り替えられる。したがって、系統連系時においては、インバータ３−２は、連系スイッチ１７、自立インタロックスイッチ１６、並びに配電盤８のブレーカ２０および子ブレーカ２２を介して電気負荷１０に接続され、発電機１の出力を電気負荷１０へ供給可能になる。さらに、インバータ３−２は連系スイッチ１７および出力切替スイッチ１９を介して自立出力端子１５に接続されるので、発電機１の出力は自立出力端子１５に接続される図示しない電気負荷にも供給可能となる。

また同時に、系統９は、メインブレーカ２１および子ブレーカ２２を介して電気負荷１０に接続されるとともに、メインブレーカ２１およびブレーカ２０、並びに自立インタロックスイッチ１６および出力切替スイッチ１９を介して自立出力端子１５にも接続される。したがって、系統９からの電力は電気負荷１０と自立出力端子１５に接続される図示しない電気負荷とに供給可能となる。

系統９の停電が検出された時には、出力切替スイッチ１９および連系スイッチ１７がオフに切り替えられ、自立スイッチ１８はオンに切り替えられる。したがって、系統９の停電が検出された時には、自立スイッチ１８を介して自立出力端子１５から発電機１による出力だけが取り出し可能になる。こうして停電時には、自立出力端子１５に電気負荷１０をつなぎ替えて使用したり、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の発電出力を活用することができる。

次に、図３のタイミングチャートを参照して、停電等、系統９が異常時におけるスイッチ１６〜１９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１６および出力切替スイッチ１９はオンであり、連系スイッチ１７および自立スイッチ１８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１７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１７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１６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１６および出力切替スイッチ１９を介して自立出力端子１５に接続される図示しない電気負荷に電力供給が可能である。

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１７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１７をオフにする。連系運転時には、自立スイッチ１８はオフに切り替えられているので、この連系スイッチ１７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。系統９の停電は、位相跳躍とか周波数監視による異常検知により、公知の手法を用いて行われる。

停電が所定時間Ｔ３が経過するまで続いていた場合、つまり電圧検出器２３で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１６および出力切替スイッチ１９をオフにする。自立インタロックスイッチ１６および出力切替スイッチ１９のオフから時間Ｔ４遅らせて、自立スイッチ１８をオンにする。自立スイッチ１８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１８、出力切替スイッチ１９および自立インタロックスイッチ１６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電圧検出器２３で検出されると、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１８をオフにする。

自立スイッチ１８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１６および出力切替スイッチ１９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１７をオンに切り替える。連系スイッチ１７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全て発電機１で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１８がオンになるまでの間、および、復電時、自立スイッチ１８がオフになってから自立インタロックスイッチ１６および出力切替スイッチ１９がオンになるまでの間、例えば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、この出力特性も配慮する必要がある。

上記実施形態によれば、系統連系可能なシステムにおいて、コジェネレーション装置内のスイッチの切り替えによって、自立出力端子１９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、コジェネレーション装置をそのまま停電時などに非常用電源として活用することが容易である。

上述の動作は、系統連系運転されている時の停電及び復電に対応した動作であるが、この動作は、予め系統９からコジェネレーション装置を切り離して自立運転モードで運転するときも同様である。

自立運転モードを選択した場合は、連系運転中の停電時と同様、まず、連系スイッチ１７がオフに切り替えられ、かつ出力切替スイッチ１９がオフに切り替えられる。そして、系統９とインバータ３−２との間に電圧がかかっていないことが検出された後、自立スイッチ１８がオンに切り替えられる。自立スイッチ１８をオンに切り替えることでインバータ３−２と自立出力端子１５とが接続され、自立出力端子１５には、系統９からではなく、発電機１からだけ電力供給が可能になる。

また、自立運転モードから連系運転モードに切り替えられた場合は、停電からの復電と同様、まず、自立スイッチ１８をオフに切り替え、それから、連系スイッチ１７および出力切替スイッチ１９をオンに切り替える。これによって、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の出力側が接続され、発電機１の出力が系統９に連系される。

上記自立インタロックスイッチ１６、連系スイッチ１７、自立スイッチ１８、および出力切替スイッチ１９の切り替えは、これら各スイッチを駆動するコイルによって行われる。そして、このコイルの制御は選択スイッチ（後述）によるモード指示や電圧検出器２３で検出された電圧に基づく停電や復電に応じてマイクロコンピュータを使って行うことができる。

図４は、コジェネレーション装置の外観斜視図である。図４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、つまり連系出力端子１４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。ケーシング１００Ａ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になっている。そして、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。

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、ケーシング１００Ａの正面は、必ずしも図４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５はケーシング１００Ａ上の操作盤２５の拡大図である。操作盤２５には運転モードを選択する選択スイッチ２４が設けられる。選択スイッチ２４は、オフ（ＯＦＦ）、自立運転モード（自立）、連系第１モード（連系１）および連系第２モード位置（連系２）を有するロータリスイッチで構成される。連系第１モードでは、系統の停電時には自立運転も同時に禁止される。連系第２モードでは、系統の停電時に自立運転が可能になる。自立運転モードでは、コジェネレーション装置は予め系統と切り離して自立運転可能である。

操作盤２５には、選択スイッチ２４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られ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…自立インタロックスイッチ、 １７…連系スイッチ、 １８…自立スイッチ、 １９…出力切替スイッチ、 ２１…メインブレーカ、 ２２…子ブレーカ

Claims (3)

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、前記発電機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出力端子と、
   前記連系出力端子とは別に発電出力を独立して取り出す自立出力端子と、
   系統連系運転中に前記発電装置の出力を前記連系出力端子へ接続する連系スイッチと、
   自立運転中に前記発電装置の出力を前記自立出力端子へ接続する自立スイッチと、
   前記連系スイッチの系統側および前記自立スイッチの系統側を接続する出力切替スイッチと、
   前記系統の異常発生毎に前記連系スイッチをオフにするとともに、停電の継続状態が確認されたときに前記出力切替スイッチをオフにし、その後に前記自立スイッチをオンにする切替制御手段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. 前記切替制御手段が、前記自立スイッチがオン状態のときに前記系統に系統電圧が生じた場合には、該系統電圧が所定時間継続した後に前記自立スイッチをオフにし、その後に前記出力切替スイッチをオンにするように構成された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. 前記切替制御手段が、前記出力切替スイッチをオンにした後に、前記連系スイッチをオンにするように構成されたことを特徴とする請求項２記載のコジェネレーション装置。

Images