JP2009100520A - 瞬低対策機能付発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】構成機器数の可及的な低減を図り得る瞬低対策機能付発電システムを提供する。
【解決手段】燃料電池２８と、送電線５に接続されて一般負荷１に電力を供給する給電系統Ｉに高速遮断器２７を介して接続されるとともに、燃料電池２８に直接接続されている停電補償負荷６と、燃料電池２８に遮断器３２を介して接続されている瞬低対策負荷１１と、給電系統Ｉの瞬低が検出されたとき高速遮断器２７を遮断するとともに、燃料電池２８を過負荷運転して瞬低対策負荷１１への電力の供給が継続されるように制御する制御手段とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は瞬低対策機能付発電システムに関し、特に停電補償負荷及び瞬低対策負荷に電力を供給する発電システムに適用して有用なものである。

一般的な需要家で瞬低対策を行う場合の従来技術に係る瞬低対策機能付発電システムを図８に示す。同図に示すように、一般負荷１は、遮断器２、変圧器３及び遮断器４を介して送電線５に接続されている。すなわち、遮断器２、変圧器３及び遮断器４を機器として有する給電系統Ｉが構成されている。停電補償負荷６は給電系統Ｉに高速遮断器７を介して接続されるとともに、発電手段であるガスエンジン発電機８に変圧器９及び遮断器１０を介して接続されている。瞬低対策負荷１１は給電系統Ｉに高速遮断器１２を介して接続されるとともに、蓄電池１３に、この蓄電池１３の出力を交流に変換するインバータ１４、変圧器１５及び遮断器１６を介して接続されている。すなわち、停電補償のための装置と瞬低補償のための機器とが高速遮断器７，１２を介して給電系統Ｉに並列に接続されている。ここで、停電補償負荷６とは瞬間的な電圧の低下を含め、停電状態になることが許容されない負荷をいい、瞬低対策負荷１１とはある程度の頻度で発生する瞬間的な電圧低下を補償すべき負荷であって、やむを得ない場合は停電が許容される負荷をいう。そこで、停電補償負荷６にはガスエンジン発電機８による永続的な電力の供給を補償し、瞬低対策負荷１１には蓄電池１３による一定時間の電力の供給を補償している。

かかる瞬低対策機能付発電システムにおいて給電系統Ｉの瞬低が検出された場合、高速遮断器７，１２が遮断されて給電系統からの電力の供給が遮断されるが、ガスエンジン発電機８から継続して停電補償負荷６に電力が供給され、同時に蓄電池１３から継続して瞬低対策負荷１１に電力が供給される。かくして瞬低による負荷側への影響を回避するようになっている。

なお、瞬低対策に関する技術を開示する公知文献として特許文献１を挙げることができる。

特開平１１−６９６６４号公報

上記従来技術においては、停電補償と瞬低対策とを別々の装置で行っている。このため、設備費の高騰を招来する。特に、高速遮断器７，１２の価格は通常の遮断器１０，１６等の数十倍と、極めて高価である。なお、高速遮断器７，１２は遮断時の動作時間が５ｍｓｅｃ程度と極めて短時間である。このため、瞬低が発生した給電系統Ｉを瞬時に切り離し、所定電圧の電力を停電補償負荷６及び瞬低対策負荷１１へ継続して供給することができる。

本発明は、上記従来技術に鑑み、構成機器数の可及的な低減を図り得る瞬低対策機能付発電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の第１の態様は、
発電手段と、
一般負荷に電力を供給すべく送電線に接続されている給電系統に高速遮断器を介して接続されるとともに、前記発電手段に接続されている停電補償負荷と、
前記発電手段に遮断器を介して接続されている瞬低対策負荷と、
前記給電系統の瞬低が検出されたとき前記高速遮断器を遮断するとともに、前記発電手段を過負荷運転して前記瞬低対策負荷への電力の供給が継続されるように制御する制御手段とを有することを特徴とする瞬低対策機能付発電システムにある。

本発明の第２の態様は、
上記第１の態様に記載する瞬低対策機能付発電システムにおいて、
前記制御手段は、前記過負荷運転が予め定めた所定時間行なわれるように前記発電手段を制御するとともに、前記所定時間を経過した時点で前記遮断器が遮断されるように制御することを特徴とする瞬低対策機能付発電システムにある。

本発明の第３の態様は、
上記第１又は第２の態様に記載する瞬低対策機能付発電システムにおいて、
前記発電手段は燃料電池と、この燃料電池の出力を交流に変換するインバータとで構成したことを特徴とする瞬低対策機能付発電システムにある。

本発明の第４の態様は、
上記第１又は第２の態様に記載する瞬低対策機能付発電システムにおいて、
前記発電手段はエンジン発電機で構成したことを特徴とする瞬低対策機能付発電システムにある。

本発明によれば、高速遮断器の遮断動作により給電系統Ｉが切り離されても、発電手段の過負荷運転により停電補償負荷のみならず、瞬低対策負荷への電力の供給も継続し得る。したがって、発電手段を停電補償用及び瞬低対策用として兼用し得るとともに、高価な高速遮断器は１個設けるだけで良い。この結果、当該瞬低対策機能付発電システムに要する設備費を大幅に削減することができる。

以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

＜第１の実施の形態＞
図１は本発明の第１の実施の形態に係る瞬低対策機能付発電システムを示すブロック線図である。同図中、図８と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。

図１に示すように、本形態の発電手段は燃料電池２８とこの燃料電池２８の出力を交流に変換するインバータ２９とで構成してある。停電補償負荷６は、給電系統Ｉに高速遮断器２７を介して接続されるとともに、発電手段である燃料電池２８及びインバータ２９に遮断器３１及び変圧器３０を介して接続されている。瞬低対策負荷１１は発電手段である燃料電池２８及びインバータ２９に遮断器３１及び変圧器３０に加え、さらに遮断器３２を介して接続されている。すなわち、遮断器３２の遮断動作により瞬低対策負荷１１を発電手段（燃料電池２８及びインバータ２９）から切り離すことができるようになっている。

かかる瞬低対策機能付発電システムにおいて、通常時には高速遮断器２７及び遮断器３２とともに他の全ての遮断器２，４，３１は閉状態となっている。かかる状態で所定の瞬低が検出されると高速遮断器２７を動作させて停電補償負荷６及び瞬低対策負荷１１を給電系統Ｉから切り離す。同時に、燃料電池２８を過負荷運転する。このことにより瞬低対策負荷１１への電力を賄う。この結果、停電補償負荷６のみならず、瞬低対策負荷１１にも継続して必要な電力を供給することができる。本形態では、給電系統Ｉでの電圧低下あるいは停電状態が所定の時間以上継続する場合には遮断器３２を動作させて瞬低対策負荷１１を停電補償負荷６側（発電手段側）から切り離す。ここで、高速遮断器２７が動作した時点から遮断器３２が動作するまでの瞬低補償時間は、燃料電池２８の過負荷運転特性と瞬低対策負荷１１の容量とを考慮して決定する。ちなみに、給電系統Ｉにおける瞬低時間の多くは１秒未満と考えられ、燃料電池２８に溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）を用いた場合は、１秒間で１４０％程度の過負荷運転が可能である。そこで、本形態では燃料電池２８の過負荷運転可能時間を１秒とした。

なお、高速遮断器２７、遮断器３２、燃料電池２８等の上述のごとき一連の動作は、図示はしないが各機器部での制御手段により行なう。

図２は本形態に係る瞬低対策機能付発電システムにおいて給電系統Ｉでの電圧低下あるいは停電状態が過負荷運転可能時間よりも短い場合における各部の動作タイミングを示すタイミングチャートである。

同図（ａ）に示すように、給電系統Ｉの電圧である系統電圧で図に示す位置で瞬低が発生し、その後復電した場合、同図（ｂ）に示す高速遮断器２７は瞬低発生による遮断動作により開状態となり、この状態が復電時点まで継続される。同図（ｃ）に示す遮断器３２は、瞬低時点から復電時点までの期間（以下、瞬低継続期間という。）が燃料電池２８の過負荷運転可能時間より短いため、閉状態が維持される。同図（ｄ）に示す燃料電池２８は瞬低継続期間においては過負荷運転がなされる。この結果、瞬低対策負荷１１にも燃料電池２８から継続して電力が供給される。

同図（ｅ）に示す制御モードは、瞬低継続期間は出力電流制御から瞬低継続期間は負荷電圧制御となり、復電後に再度出力電流制御となる。このとき、同図（ｆ）に示す停電補償負荷６の電圧及び同図（ｇ）に示す瞬低対策負荷１１の電圧は通常時と変わることなく一定に維持される。

図３は本形態に係る瞬低対策機能付発電システムにおいて給電系統Ｉでの電圧低下あるいは停電状態が過負荷運転可能時間よりも長い場合における各部の動作タイミングを示すタイミングチャートである。

同図（ａ）に示すように、給電系統Ｉの電圧である系統電圧において図に示す位置で瞬低が発生し、その後復電した場合、同図（ｂ）に示す高速遮断器２７は瞬低発生による遮断動作により開状態となり、この状態が復電時点まで継続される。同図に示す場合は、瞬低継続期間が燃料電池２８の過負荷運転可能時間よりも長い場合であるので、同図（ｃ）に示す遮断器３２は、燃料電池２８の過負荷運転可能時間（例えば１秒間）まで継続して閉状態が維持されるが、その可能時間を越えた時点で遮断動作により開状態となり復電時点までこの状態が継続される。これに伴い、同図（ｄ）に示す燃料電池２８は、遮断器３２が継続して閉状態となっている間のみ過負荷運転がなされる。この結果、所定時間の経過後は停電補償負荷６のみに電力を供給して瞬低対策負荷１１への電力の供給を停止する。

同図（ｅ）に示す制御モードでは、瞬低継続期間に出力電流制御から負荷電圧制御となり、復電後に再度出力電流制御となる。このとき、同図（ｆ）に示す停電補償負荷６の電圧は通常時と変わることなく一定に維持されるが、同図（ｇ）に示す瞬低対策負荷１１の電圧は瞬低発生後、燃料電池２８の過負荷運転可能時間を越えた時点から復電時点まで停電状態となる。

図４は本形態に係る瞬低対策機能付発電システムにおける発電・負荷バランスの一例を示す説明図である。図４（ａ）に示す通常時には、燃料電池２８が停電補償負荷６の全電力を供給し、瞬低対策負荷１１には給電系統Ｉから高速遮断器２７を介して必要な電力（停電補償負荷６への電力の４０％）を供給している。かかる状態で瞬低が検出された場合、高速遮断器２７が遮断されるので、給電系統Ｉから瞬低対策負荷１１に供給されていた電力は燃料電池２８を過負荷運転することにより賄う。すなわち、図４（ｂ）に示すように、燃料電池２８は過負荷運転により１４０％の電力を発生し、その４０％分を瞬低対策負荷１１に供給する。

＜第２の実施の形態＞
上記第１の実施の形態では発電手段を燃料電池２８及びインバータ２９で構成したが、他の発電手段も制限なく使用することができる。例えば、エンジン発電機であっても良い。この場合、このエンジン発電機の過負荷運転はフライホイールに蓄積しておいた慣性エネルギを放出させることにより容易且つ円滑に行うことができる。

発電手段としてエンジン発電機を用いた場合を第２の実施の形態として説明しておく。

図５は本発明の第２の実施の形態に係る瞬低対策機能付発電システムを示すブロック線図である。同図中、図１と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。

同図に示すように、本形態に係る発電手段であるエンジン発電機は原動機として機能するエンジン４１とこのエンジン４１で回転駆動される発電機４２とからなる。ここで、エンジン４１と発電機４２との連結軸には脈動を防止するためのフライホイール４３が配設してある。また、エンジン４１はこれに供給する燃料の量を燃料流量制御弁４５を介してガバナ４４で制御することにより、所定の回転数で回転するように制御される。発電機４２は自動電圧調整装置（ＡＶＲ）４６で励磁装置４７に供給される励磁電流が制御される。

かかるエンジン発電機においては、ガバナ４４でエンジン４１の回転数を制御することにより発電機４２の出力周波数が制御されるとともに、自動電圧調整装置４６で励磁装置４７に供給される励磁電流により出力電圧が制御される。ちなみに、通常時（瞬低前）の発電機４２の出力は停電補償負荷６の電力を賄うように制御される。かくして、発電機４２は変圧器３０及び遮断器３１を介して停電補償負荷６に、さらに遮断器３２を介して瞬低対策負荷１１にそれぞれ電力を供給するようになっている。すなわち、本形態にかかる瞬低対策機能付発電システムは発電手段がエンジン発電機になるだけで、他は第１の実施の形態に係る瞬低対策機能付発電システムと同様の構成となっている。

図６は本形態に係る瞬低対策機能付発電システムにおいて給電系統Ｉでの電圧低下あるいは停電状態が過負荷運転可能時間よりも短い場合における各部の動作タイミングを示すタイミングチャートである。

同図（ａ）に示すように、給電系統Ｉの電圧である系統電圧で図に示す位置で瞬低が発生し、その後復電した場合、同図（ｂ）に示す高速遮断器２７は瞬低発生による遮断動作により開状態となり、この状態が復電時点まで継続される。同図（ｃ）に示す遮断器３２は、瞬低時点から復電時点までの期間（以下、瞬低継続期間という。）が発電機４２の過負荷運転可能時間より短いため、閉状態が維持される。

同図（ｄ）に示すように発電機４２は瞬低継続期間においては過負荷運転が行なわれる。この結果、瞬低対策負荷１１にも発電機４２から継続して電力が供給される。ここで、エンジン発電機の場合は瞬時に所定の過負荷となることはできず、ガバナ４４の制御によりエンジン４１に供給する燃料を増やして徐々に負荷上昇させる。したがって、エンジン４１が出力上昇するまでの間はフライホイール４３から過負荷分のエネルギを供給する。この結果、エンジン４１の回転数（発電機４２の出力周波数）が下がるが、ガバナ４４の制御により所定の回転数になるようにエンジン４１を加速する。すなわち、このように加速するためには（停電補償負荷６＋瞬低対策負荷１１）より大きなエンジン４１の出力が必要になるので、これに見合うだけの燃料をエンジン４１に供給する。したがって、エンジン４１の加速性能、過負荷量、負荷における許容周波数低下量を考慮してフライホイール４３の慣性モーメントの大きさを選定しておく。一般的に、過負荷性能は１１０〜１２０％で過負荷運転可能時間は３０秒〜数分程度である。

かかる過負荷運転により、瞬低中、エンジン４１は（停電補償負荷６＋瞬低対策負荷１１＋フライホイール４３の加速分）に見合うエネルギを供給する。したがって、瞬低対策負荷１１の消費エネルギが次の関係式を満足するように構成する必要がある。

（瞬低対策負荷１１の消費エネルギ）＝（発電機４２の過負荷許容電力エネルギ）−（停電補償負荷６の消費エネルギ）−（フライホイール４３の加速分に必要なエネルギ）

同図（ｅ）に示す負荷周波数は、過負荷運転が開始されるとエンジン４１が減速されて一旦低下するが、ガバナ４４の制御によりエンジン４１が加速されて短時間で元に戻る。同図（ｆ）に示すように、高速遮断器２７を介して供給される系統受電電力は瞬低対策負荷１１の電力に等しくなるようにしてある。また、同図（ｇ）に示す停電補償負荷６の電圧及び同図（ｈ）に示す瞬低対策負荷１１の電圧は通常時と変わることなく一定に維持される。

図７は本形態に係る瞬低対策機能付発電システムにおいて給電系統Ｉでの電圧低下あるいは停電状態が過負荷運転可能時間よりも長い場合における各部の動作タイミングを示すタイミングチャートである。

同図（ａ）に示すように、給電系統Ｉの電圧である系統電圧において図に示す位置で瞬低が発生し、その後復電した場合、同図（ｂ）に示す高速遮断器２７は瞬低発生による遮断動作により開状態となり、この状態が復電時点まで継続される。同図に示す場合は、瞬低継続期間が発電機４２の過負荷運転可能時間よりも長い場合であるので、同図（ｃ）に示す遮断器３２は、発電機４２の過負荷運転可能時間（例えば１秒間）まで継続して閉状態が維持されるが、その可能時間を越えた時点で遮断動作により開状態となり復電時点までこの状態が継続される。これに伴い、同図（ｄ）に示す発電機４２の出力は、遮断器３２が継続して閉状態となっている間のみ過負荷運転がなされる。この結果、所定時間の経過後は停電補償負荷６のみに電力を供給して瞬低対策負荷１１への電力の供給を停止する。

同図（ｇ）に示す停電補償負荷６の電圧は通常時と変わることなく一定に維持されるが、同図（ｈ）に示す瞬低対策負荷１１の電圧は瞬低発生後、発電機４２の過負荷運転可能時間を越えた時点から復電時点まで停電状態となる。

本発明は発電設備の製造・販売及び運用・保守を行なう産業分野において有効に利用し得る。

本発明の第１の実施の形態に係る瞬低対策機能付発電システムを示すブロック線図である。 図１に示す瞬低対策機能付発電システムにおいて電圧低下あるいは停電時間が過負荷運転可能時間よりも短い場合における各部の動作タイミングを示すタイミングチャートである。 図１に示す瞬低対策機能付発電システムにおいて電圧低下あるいは停電時間が過負荷運転可能時間よりも長い場合における各部の動作タイミングを示すタイミングチャートである。 図１に示す瞬低対策機能付発電システムにおける発電・負荷バランス例を示す説明図で、（ａ）が通常時、（ｂ）が瞬低時である。 本発明の第２の実施の形態に係る瞬低対策機能付発電システムを示すブロック線図である。 図５に示す瞬低対策機能付発電システムにおいて電圧低下あるいは停電時間が過負荷運転可能時間よりも短い場合における各部の動作タイミングを示すタイミングチャートである。 図５に示す瞬低対策機能付発電システムにおいて電圧低下あるいは停電時間が過負荷運転可能時間よりも長い場合における各部の動作タイミングを示すタイミングチャートである。 従来技術に係る瞬低対策機能付発電システムを示すブロック線図である。

符号の説明

Ｉ 給電系統
１ 一般負荷
２、４、１０、１６、３１、３２ 遮断器
３、９、１５、３０ 変圧器
５ 送電線
６ 停電補償負荷
８ ガスエンジン発電機
１１ 瞬低対策負荷
１３ 蓄電池
７、１２、２７ 高速遮断器
２８ 燃料電池
１４、２９ インバータ
４１ エンジン
４２ 発電機
４３ フライホイール
４４ ガバナ
４５ 燃料流量制御弁
４６ 自動電圧調整装置
４７ 励磁装置

Claims (4)

1. 発電手段と、
   一般負荷に電力を供給すべく送電線に接続されている給電系統に高速遮断器を介して接続されるとともに、前記発電手段に接続されている停電補償負荷と、
   前記発電手段に遮断器を介して接続されている瞬低対策負荷と、
   前記給電系統の瞬低が検出されたとき前記高速遮断器を遮断するとともに、前記発電手段を過負荷運転して前記瞬低対策負荷への電力の供給が継続されるように制御する制御手段とを有することを特徴とする瞬低対策機能付発電システム。
2. 請求項１に記載する瞬低対策機能付発電システムにおいて、
   前記制御手段は、前記過負荷運転が予め定めた所定時間行なわれるように前記発電手段を制御するとともに、前記所定時間を経過した時点で前記遮断器が遮断されるように制御することを特徴とする瞬低対策機能付発電システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載する瞬低対策機能付発電システムにおいて、
   前記発電手段は燃料電池と、この燃料電池の出力を交流に変換するインバータとで構成したことを特徴とする瞬低対策機能付発電システム。
4. 請求項１又は請求項２に記載する瞬低対策機能付発電システムにおいて、
   前記発電手段はエンジン発電機で構成したことを特徴とする瞬低対策機能付発電システム。