JP2009131056A - 自立運転機能付き系統連系電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】災害等に対応できるような自立運転可能な自立運転機能付き系統連系電源装置を提供する。
【解決手段】電源装置は、発電要素１０の電力を商用電源４の商用周波数をもつ電力に変換する電力制御部５０と、補助電源５３と、商用電源４の停電時において自立用電力を発生させる指令を出力する自立用電力発生指令部５２と、発電要素１０が発電した自立用電力を取り出すための自立用電力取出部５５とをもつ。電力制御部５０は、商用電源４の商用周波数をもつ電力の電圧波形に同期させた電力を発生させる連系用給電手段５０Ａと、自立用電力用の基準周波数および指示電圧を指令する周波数電圧指令部５７と、周波数電圧指令部５７から出力された基準周波数および指示電圧に基づき自立用電力の周波数、電圧を調整する自立用給電手段５０Ｂと、連系用給電手段５０Ａと自立用給電手段５０Ｂとを切り替えるスイッチング素子ＡＳ１〜ＡＳ４とをもつ。
【選択図】図２

Description

本発明は、商用電源に系統連系可能な自立運転機能付き系統連系電源装置に関する。

従来、特許文献１には、商用電源とは別の電力を発生させるための補助電源と、商用電源の停電時において補助電源を起動させて自立用電力を発生させる指令を出力するための自立用電力発生指令部とを具備する系統連系用交直変換装置が開示されている。また特許文献２には、発電機の出力を商用電源に系統連系させるコージェネレーション装置が開示されている。
特開２００７−１９５３４８号公報 特開２００６−２１７７６７号公報

ところで上記した技術によれば、災害等に対応できるような自立運転については必ずしも充分ではない。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、災害等に対応できるような自立運転可能な自立運転機能付き系統連系電源装置を提供することを課題とする。

（１）本発明（請求項１）に係る自立運転機能付き系統連系電源装置は、電力を発生させる発電要素と、
発電要素の発電電力を商用電源の所定の商用周波数をもつ電力に変換して系統連系可能とする電力制御部と、
発電要素とは別に電力を発生させるための補助電源と、
商用電源の停電時において補助電源の電力に基づいて発電要素を起動させて自立用電力を発生させる自立モードとする指令を出力するための自立用電力発生指令部と
自立用電力発生指令部が自立用電力を発生させる自立モードとする指令を出力するとき、補助電源から発生する電力に基づいて発電要素を作動させて自立用電力を発生させる作動部と、
商用電源の停電時において発電要素が発電した自立用電力を取り出すための自立用電力取出部とを具備しており、
電力制御部は、
系統連系モードにおいて系統連系する商用電源の所定の商用周波数をもつ電力の電圧波形に同期させる電力を発生させる連系用給電手段と、
自立モードにおいて自立用電力用の基準周波数および／または指示電圧を指令する周波数電圧指令部と、
自立モードにおいて周波数電圧指令部から指示された基準周波数および／または指示電圧に基づいて自立用電力の周波数および／または電圧を調整する自立用給電手段と、
連系用給電手段と自立用給電手段とを切り替えるためのスイッチング素子とを具備することを特徴とする
系統連系時には、発電要素で発電された発電電力は、電力制御部により、商用電源の所定の商用周波数をもつ電力に変換され、商用電源に対して系統連系可能とされる。これに対して商用電源の停電時においては、自立用電力発生指令部から自立用電力発生指令が出力され、自立モードとなる。これにより作動部は、補助電源の電力に基づいて発電要素を作動させて自立用電力を発生させる。商用電源の停電時において発生された自立用電力は、自立用電力取出部から取り出される。

ここで、電力制御部は、系統連系モードにおいて系統連系する商用電源の電圧波形に同期させる電力を発生させる連系用給電手段と、自立モードにおいて自立用電力用の基準周波数の信号および／または指示電圧の信号を指示する周波数電圧指令部と、自立モードにおいて周波数電圧指令部から指示された基準周波数の信号および／または指示電圧の信号に基づいて自立用電力を調整し、且つ、周波数電圧指令部から指示された指示電圧に適合させる自立用給電手段と、連系用給電手段と自立用給電手段とを切り替えるスイッチング素子とを備えている。スイッチング素子は半導体スイッチ、リレースイッチ等が例示される。

通常モード（系統連系モード）では、スイッチング素子は連系用給電手段側に切り替えられる。これにより連系用給電手段は、系統連系する商用電源の電圧波形に同期させた電力（電流）を給電する。

これに対して、商用電源が停電している非常時（自立モード）では、ユーザまたは制御系等によりスイッチング素子は、連系用給電手段側から、自立用給電手段側に切り替えられる。この場合、周波数電圧指令部から基準周波数の信号および／または指示電圧の信号が指示される。周波数電圧指令部から指示された基準周波数の信号および／または指示電圧に基づいて、自立用電力の周波数および／または電圧が調整される。

本発明によれば、発電要素は、交流の電力を発生させる発電機と、燃料で駆動して発電機を駆動させると共に発電機で起動可能なエンジンとを備えていることが好ましい（請求項２）。エンジンは発電機を駆動させて電気エネルギを発生させると共に、エンジンの排熱を熱エネルギとして使用でき、コージェネレーションシステムを構成できる。

また、自立用電力取出部の出力電圧を絶縁するための変圧器が設けられており、周波数電圧指令部は、周波数電圧指令部で指示される指示電圧を時間経過と共に徐々に増加させ、変圧器への突入電流による過電流トリップを抑制することが好ましい（請求項３）。この場合、周波数電圧指令部から指示される指示電圧は、時間経過と共に徐々に増加する。このため、自立用電力取出部の出力電圧は時間経過と共に徐々に増加する。従って変圧器への突入電流による過電流トリップが抑えられる。このため変圧器を介して自立用電力取出部から自立用電力を効果的に取り出すことができる。

また、自立用電力取出部から取り出される電流を直接または間接的に検知する電流検知部と、電流検知部で検知された電流が設定値よりも高いとき、自立用電力取出部から取り出される電流を低下させるための電流抑制部とが設けられていることが好ましい（請求項４）。この場合、電流検知部で検知された電流が設定値よりも高いときには、自立用電力取出部から取り出される電流が電流抑制部により低下する。このため、商用電源の停電時において、自立モードにおいて、掃除機、遅れ負荷であっても運転可能となる。電流検知部は、自立用電力取出部から取り出される電流を直接または間接的に検知するものである。直接検知とは、自立用電力取出部から取り出される電流を直接検知することをいう。間接検知とは、自立用電力取出部から取り出される電流を他のパラメータを介して間接的に検知することをいう。なお、電流検知部としては自立用給電線に設けることができる。

また、自立用電力取出部は機器と電気的に接続可能な給電用コンセントであり、自立用電力発生指令部を備えていることが好ましい（請求項５）。給電用コンセントが自立用電力発生指令部を備えているため、商用電源の停電時において雰囲気が暗闇であっても、ユーザが自立用電力発生指令部を探すのに有利となる。従ってユーザは自立用電力発生指令部を操作させ易い。自立用電力発生指令部としては、ユーザの操作により指令する方式でも良いし、場合によっては、周波数電圧指令部等の制御部が自動的に指令する方式でも良い。

更にまた、作動部は、補助電源の電圧を昇圧させる昇圧部であり、自立用電力発生指令部が自立用電力を発生させる自立モードとする指令を出力するとき、昇圧部で昇圧された補助電源の電圧に基づいて発電要素の発電機をモータとして駆動させてエンジンを起動させることにより、発電機で自立用電力を発生させることが好ましい（請求項６）。この場合、自立用電力発生指令部が自立用電力を発生させる指令を出力するとき、昇圧部は、補助電源から発生する電力の電圧を昇圧させる。そして昇圧部で昇圧された電圧に基づいて、発電要素の発電機がモータとして駆動してエンジンを起動させる。これにより商用電源が停電しているときであっても、発電機で自立用電力を発生させることができる。この自立用電力は、自立用電力取出部から取り出される。

本発明によれば、商用電源の停電時において自立用電力発生指令部が自立用電力発生指令を出力すれば、補助電源の電力に基づいて発電要素を起動させて自立用電力を発生させる共に、スイッチング素子を連系用給電手段側から自立用給電手段側に切り替えることができる。従って、災害等に対応できるような自立運転可能な自立運転機能付き系統連系電源装置を提供することができる。

（実施形態１）
以下、本発明を具体的に適用した実施形態１を、図面を参照しつつ説明する。図１はエンジン駆動式の系統連系電源装置を示す。この装置は、図１に示すように、燃料で駆動されるガスエンジンで形成されたエンジン１１と、エンジン１１により駆動される発電機１２と、発電機１２で発生する三相の交流電圧を直流電圧に変換する第１電力変換器２と、商用電源で発生する三相の交流電圧を直流電圧に変換すると共に第１電力変換器２の出力側に電気的に繋がる第２電力変換器３と、第１電力変換器２の出力電力または第２電力変換器３の出力電力に基づいて駆動される補機（図示せず）と、補機を駆動させるための第３電力変換器（図示せず）とを備えている。

発電機１２およびエンジン１１は発電要素１０を構成する。このようにエンジン１１は発電機１２を駆動させる駆動源となると共に、エンジン冷却水を熱エネルギとして使用できるため、コージェネシステムを構成する。エンジン１１の燃料はガス燃料でも液体燃料でも固体燃料でも良い。発電機１２は永久磁石を要するロータと、励磁巻線を有するステータとを有するものであり、発電機１２を回転駆動させることにより発電機能を発揮する他に、停止中のエンジンを起動させるスタータモータとしての機能を併有する。ロータはエンジン１１により回転駆動され、ステータの巻線の内部を回転し、発電を行う。エンジン１１が停止しているとき、発電機１２がモータとして機能すれば、発電機１２はエンジン１１を起動させるスタータモータとして機能できる。

図１に示すように、第２電力変換器３と商用電源４とを繋ぐ連系用給電線４０が設けられている。連系用給電線４０には、リアクトル４１、直列に配置された複数の遮断スイッチＲＹ１，ＲＹ２、ノイズフィルタ回路４２、遮断器４３（ＥＬＢ回路）が設けられている。

図１において、発電機１２側の第１電力変換器２は、発電機１２で発生する三相の交流電圧を直流電圧に変換するため第１スイッチング素子２０（例えばＩＧＢＴ）と、環流用の第１ダイオード２１との組を複数組（６組）を備えている。図１に示すように、商用電源４側の第２電力変換器３は、商用電源４で発生する交流電圧を整流して直流電圧に変換するためのものであり、第２スイッチング素子３０（例えばＩＧＢＴ）と、環流用の第２ダイオード３１との組を複数組（４組）を備えている。

図１に示すように、第２電力変換器３は、連系用給電線４０を介して商用電源４と接続されている。第１電力変換器２と第２電力変換器３とは、二本の直流電線２３で接続されている。直流電線２３間には平滑用のコンデンサ２４が接続されている。ここで、第１電力変換器２と第２電力変換器３とを繋ぐ２本の直流電線２３は、直流中間点Ｐ，Ｎをもつ。従って発電機１２側の第１電力変換器２の出力側と商用電源４側の第２電力変換器３の出力側とは、直流中間点Ｐ，Ｎを介して直流電圧によって繋がっている。

系統連系モードにおいては、発電機１２側の第１電力変換器２側の電圧が商用電源４側の第２電力変換器３側の電圧よりも高いとき、発電機１２側の第１電力変換器２側の電圧に基づいて補機（図示せず）が駆動される。商用電源４側の第２電力変換器３の電圧が発電機１２側の第１電力変換器２の電圧がよりも高いとき、商用電源４側の第２電力変換器３側の電圧に基づいて補機（図示せず）が駆動される。このようにエンジン１１が駆動して発電機１２が発電電力を発生させているとき、エンジン１１を冷却する冷却通路１１ｘを流れる冷却液の排熱が温水エネルギとして使用されるため、電気エネルギおよび温水エネルギを発生させるコージェネシステムが構成される。

図２は系統連系電源装置の主要部を示す。系統連系電源装置は、発電要素１０のほかに、発電要素１０である発電機１２で発電した発電電力を商用電源４に系統連系可能とする電力制御部５０と、発電機１２の発電電力とは別に電力を発生させるための補助電源５３と、商用電源４の停電時において補助電源５３の補助電力に基づいて発電要素１０の発電機１２を駆動させて自立用電力を発生させる指令の信号Ｃ１を出力するための自立用電力発生指令部５２と、自立用電力発生指令部５２が自立用電力を発生させる自立モードとする指令の信号Ｃ１を昇圧部５９（作動部）に出力するとき、補助電源５３から発生する補助電力に基づいて発電要素１０の発電機１２を作動させて自立用電力を発生させる制御部５４と、商用電源４の停電時において自立用電力を取り出すための自立用電力取出部５５とを備えている。制御部５４は、発電機１２等を制御するシステム制御部５６と、システム制御部５６に繋がるＭＰＵ５７とを含む。

発電要素１０は、前述したように、回転駆動により三相交流の電力を発生させる発電機１２と、燃料で駆動して発電機１２を回転駆動させるエンジン１１とを備えている。補助電源５３は、発電要素１０の発電機１２とは別に電力を発生させるためのものであり、発電反応を発生させるバッチリー、および／または、電荷を蓄積するキャパシタで形成されている。

自立用電力取出部５５は、商用電源４の停電時において自立用電力を取り出すための給電用コンセントであり、室内または室外等に配置されている。図２に示すように、第２電力変換器３と商用電源４とを繋ぐ連系用給電線４０から、自立用給電線３５が分岐されている。自立用給電線３５においては、リレーＲＹ３、絶縁用の変圧器Ｔ３、遮断器３６を直列に介して自立用電力取出部５５が接続されている。

図２に示すように、自立用電力発生指令部５２は、商用電源４の停電時において補助電源５３の電力に基づいて発電要素１０を起動させて自立用電力を発生させる指令Ｃ１を昇圧部５９、制御部５４およびＣＰＵに出力するための操作スイッチである。自立用電力発生指令部５２は、暗闇環境等においてもユーザ等により操作され易いように、自立用電力取出部５５を構成する給電用コンセントのパネル５５ｐに設けられている。

図２に示すように、制御部５４には、補助電源５３から発生する電力の電圧を昇圧させる昇圧部５９（作動部，双方向ＤＣ−ＤＣ変換器）が接続されている。昇圧部５９は、補助電源５３と直流中間点Ｐ，Ｎとの間に接続されている。そして、商用電源４が停電している自立モードにおいては、自立用電力発生指令部５２から自立用電力を発生させる指令Ｃ１が昇圧部５９に出力される。すると、昇圧部５９は、補助電源５３から発生する電力（直流）の電圧を時間経過につれて次第に昇圧させる。昇圧部５９で昇圧された電圧（１００ボルト以上）は、直流電線２３の直流中間点Ｐ，Ｎに給電される。これに基づいて直流中間点Ｐ，Ｎの電圧は次第に増加する。

この結果、制御部５４および発電機１２等の作動に必要な電圧が制御部５４等に給電される。故に、商用電源４が停電しているといえども、制御部５４および発電機１２等が作動可能となる。すると、制御部５４のＭＰＵ５７は、システム制御部５６を介して、第１電力変換器２の複数の第１スイッチング素子２０のオン時間をデューティ制御し、発電機１２をスタータモータとして回転駆動させる信号Ｃ３を発電機１２に出力する。このとき、エンジン１１には燃料が供給されている。このため発電機１２がスタータモータとして機能して回転駆動し、停止中のエンジン１１は起動して回転駆動する。このようにエンジン１１の回転が安定すれば、昇圧部５９からの給電が停止されたとしても、発電機１２の回転駆動は継続されるため、発電機１２は三相交流の電力を継続的に発生させることができる。

図２に示すように、電力制御部５０は、系統連系モードにおいて系統連系する商用電源４の電圧波形の周波数に同期させた電流を給電する連系用給電手段５０Ａと、自立モードにおいて自立用電力用の基準周波数の信号および指示電圧の信号を指示する周波数電圧指令部として機能するＭＰＵ５７から出力された基準周波数の信号および指示電圧の信号に基づいて自立用電力を調整し、且つ、ＭＰＵ５７から指示された指示電圧に適合させる電圧制限型の自立用給電手段５０Ｂと、連系用給電手段５０Ａと自立用給電手段５０Ｂとを切り替えるスイッチング素子ＡＳ１，ＡＳ２，ＡＳ３，ＡＳ４とを具備する。

ここで、上記した連系用給電手段５０Ａは、系統連系モードにおいて、系統連系する商用電源４の電圧波形の周波数に同期させた電流を給電する電流制限型である。自立用給電手段５０Ｂは、自立モードにおいて、発電機１２で発電した発電電力の周波数および電圧を、ＭＰＵ５７から指示された指示周波数および指示電圧に適合させる電圧制限型である。

上記したスイッチング素子ＡＳ１，ＡＳ２，ＡＳ３は、自立用給電手段５０Ｂおよび連系用給電手段５０Ａを切り替える機能をもつ。系統連系モード（図２参照）によれば、スイッチング素子ＡＳ１，ＡＳ２，ＡＳ３は、これらの連系位置ｃに切り替えられる。自立モード（図３参照）によれば、スイッチング素子ＡＳ１，ＡＳ２，ＡＳ３，ＡＳ４は、これらの自立位置ａに切り替えられる。これにより図２に示す１台の電源装置で、電流制限型のインバータと、電圧制限型のインバータとを構成することができる。

更に説明を加える。連系用給電手段５０Ａは、商用電源４側に繋がれ商用電源４側の三相（Ｒ相、Ｎ相、Ｓ相）の電圧を一次側で検知する変圧器Ｔ１と、スイッチング素子ＡＳ２を介して変圧器Ｔ１の二次側に繋がれるＡＣ−ＡＣ変換器９５と、スイッチング素子ＡＳ２を介して変圧器Ｔ１の二次側の交流電圧を直流に変換する整流用のＡＣ−ＤＣ変換器９６と、商用電源４側の商用周波数を伝達すべくＡＣ−ＡＣ変換器９５にスイッチング素子ＡＳ１の連系位置ｃを介して繋がるＰＬＬ回路８０と、ＰＬＬ回路８０で周波数がロック（固定）された正弦波信号Ａ７を発生させる正弦波発振器８１と、正弦波発振器８１に繋がり正弦波発振器８１から発振された正弦波信号Ａ７の振幅の大きさを調整する振幅制御部８２と、演算部８３と、比較器８４と、三角波発生器８５とを備えている。そして比較器８４を経た信号は第２電力変換器３の複数の第２スイッチング素子３０にそれぞれ入力される。

自立用給電手段５０Ｂは、自立用電力取出部５５の自立用給電線３５（Ｒ１相、Ｓ１相）に繋がり自立用給電線３５の電圧（Ｒ１相、Ｓ１相）を一次側で検知する変圧器Ｔ２と、スイッチング素子ＡＳ２の自立位置ａを介して変圧器Ｔ２の二次側に繋がれるＡＣ−ＡＣ変換器９５と、スイッチング素子ＡＳ２の自立位置ａを介して変圧器Ｔ２の二次側に繋がれる整流用のＡＣ−ＤＣ変換器９６と、ＭＰＵ５７からの指示周波数を伝達すべくＭＰＵ５７のポートにスイッチング素子ＡＳ１の自立位置ａを介して繋がるＰＬＬ回路８０と、ＰＬＬ回路８０で周波数がロックされた正弦波信号Ａ７を発生させる正弦波発振器８１と、正弦波発振器８１に繋がり正弦波発振器８１から発振された正弦波信号Ａ７の振幅の大きさを調整する振幅制御部８２と、演算部９０と、比較器８４とを備えている。このように自立用給電手段５０Ｂおよび連系用給電手段５０Ａは、構成要素を共通としている。

更に説明を加える。商用電源４が停電していない系統連系モードによれば、前述したように、スイッチング素子ＡＳ１，ＡＳ２，ＡＳ３，ＡＳ４はそれぞれ連系位置ｃ（図２参照）に切り替えられている。発電機１２で発電される電力は商用電源４と系統連系可能とされる。従って、変圧器Ｔ１の二次側の電圧に係る商用周波数を規定する信号Ａ２がＡＣ−ＡＣ変換器９５を経て信号Ａ３として、スイッチング素子ＡＳ１の連系位置ｃを介してＰＬＬ回路８０に入力され、商用周波数がロック（固定）される。これにより商用電源４の周波数と同期するように、系統連系用電力の周波数が固定される。

更に系統連系モードによれば、スイッチング素子ＡＳ３は連系位置ｃに切り替えられている。そして、ＭＰＵ５７からの指示電圧の信号Ａ４が演算部９２に入力される。更に、直流電線２３の直流中間点Ｐ，Ｎの電圧の信号Ａ４が絶縁アンプ（アンプ）９４を介して演算部９２に入力される。そして演算部９２で演算され、その差分が解消するように、即ち、直流中間点Ｐ，Ｎの電圧がＭＰＵ５７からの指示電圧に合致するように、差分が増幅器１０２で増幅された信号Ａ１１が、スイッチング素子ＡＳ３の連系位置ｃを介して振幅制御部８２に入力される。これにより正弦波発振器８１から発振された正弦波信号Ａ７の振幅は増加するように調整され、信号Ａ８となり、更に、演算部８３を経て信号Ａ９となる。

この信号Ａ９は、三角波発生器８５から出力された三角波信号Ａ１０と比較されてＰＷＭ制御された後、信号Ａ１１として第２電力変換器３の第２スイッチング素子３０に入力される。これにより第２電力変換器３の第２スイッチング素子３０のオン時間がディーティ制御される。ここで、正弦波信号Ａ７の信号の振幅が大きいと、第２電力変換器３の第２スイッチング素子３０のオン時間が長くなるように、信号Ａ１１が制御される。

上記した系統連系モードでは、商用電源４と第２電力変換器３とを繋ぐ連系給電線４０におけるリレーＲＹ１，リレーＲＹ２はオンされており、商用電源４側に繋がる。更に、自立用電力取出部５５と第２電力変換器３とを繋ぐ自立用給電線３５に設けられている自立モード用のリレーＲＹ３は、オフとされている。従って系統連系モードでは、変圧器Ｔ３および自立用電力取出部５５には給電されていない。なお、上記したリレーＲＹ１，リレーＲＹ２，ＲＹ３は、スイッチング素子として機能することができる。

さて、エンジン１１が停止しているときにおいて、系統連系モードが実施されているにも拘わらず、商用電源４が事情により停電が発生することがある。この場合、商用電源４の停電時においては、ユーザ等が発電電力を利用したい場合には、ユーザ等が自立用電力取出部５５に装備されている自立用電力発生指令部５２を自立用電力発生側に操作する。すると、自立用電力発生指令部５２が系統連系モードから自立モードに切り替わる。図３は自立モードを示す。

上記した自立モードによれば、自立用電力発生指令部５２から出力された信号Ｃ１に基づいて、昇圧部５９は、補助電源５３（電圧１２Ｖ）の電圧を時間経過につれて次第に増加させる（１００ボルト以上）。これにより直流中間点の電圧Ｐ，Ｎを次第に増加させる。従って商用電源４が停電しているため、システム制御部５６およびＭＰＵ５７は本来的には起動不能であるにも拘わらず、システム制御部５６およびＭＰＵ５７が起動可能となる。

このような自立モードによれば、システム制御部５６は、発電機１２をスタータ用モータとして回転させる指令の信号Ｃ３を第１電力変換器２を介して発電機１２に出力すると共に、エンジン１１に燃料を供給する指令の信号を出力する。この結果、停止していたエンジン１１が起動する。ひいては発電機１２が回転駆動し、発電機１２が発電機能を発揮させる。この結果、発電機１２の回転で発電された三相電力は、第１電力変換器２を経て交流から直流に変換され、更に、直流中間点Ｐ，Ｎを経て、第２電力変換器３から自立用給電線３５に給電され、変圧器Ｔ３で変圧された後に自立用電力取出部５５から自立用電力（非常用電力）として取り出される。このような自立モードによれば、仮に商用電源４の停電が発生したとしても、エンジン１１に燃料が供給されて発電機１２が回転駆動する限り、自立用電力取出部５５から自立用電力が取り出される。

上記したような自立モードによれば、リレーＲＹ３がオンとされ、自立用給電線３５には自立用電力（非常用電力）が給電されているため、自立用給電線３５の電圧（Ｒ１相，Ｓ１相）は、変圧器Ｔ２の一次側に給電されている。ここで、自立モードによれば、変圧器Ｔ２の二次側の電圧は、スイッチング素子ＡＳ２の自立位置ａを介してＡＣ−ＤＣ変換器９６で直流として変換された後、信号Ａ５として演算部９０に入力される。

自立モードによれば、ＭＰＵ５７からの指令により、図３に示すように、スイッチング素子ＡＳ１，ＡＳ２，ＡＳ３，ＡＳ４は、連系位置ｃから自立位置ａ（図３参照）にそれぞれ切り替えられている。従って、ＭＰＵ５７からの基準周波数（５０ヘルツまたは６０ヘルツ）の信号Ｅ１が、指示周波数としてスイッチング素子ＡＳ１の自立位置ａを介してＰＬＬ回路８０に入力され、ＭＰＵ５７から指示された指示周波数が固定される。

更に、自立モードでは、ＭＰＵ５７からの指示電圧の信号Ａ４が演算部９０に入力される。更に、前述したように、変圧器Ｔ２の二次側の電圧がスイッチング素子ＡＳ２の自立位置ａを介して、信号Ａ２としてＡＣ−ＤＣ変換器９６に入力され、更に、ＡＣ−ＤＣ変換器９６で整流化された信号Ａ５が演算部９０に入力される。演算部９０では、変圧器Ｔ２の一次側の電圧、つまり、自立用給電線３５の電圧がＭＰＵ５７からの指示電圧に合致するように、増幅器１００のゲインが調整される。従って自立モードによれば、自立用給電線３５の実際の電圧がＭＰＵ５７からの指示電圧に設定されるように、スイッチング素子ＡＳ３の自立位置ａを介して、信号Ａ６が振幅制御部８２に入力される。

上記したように自立モードによれば、図３に示すように、スイッチング素子ＡＳ１、ＡＳ２、ＡＳ３、ＡＳ４は自立位置ａに切り替えられる。停止していた発電機１２はエンジン１１により強制的に起動され、そして発電機１２で発電された発電電力は自立用電力取出部５５から取り出し可能となる。このように自立モードでは、リレーＲＹ１，ＲＹ２はオフとされるものの、自立用電力取出部５５と第２電力変換器３との間に設けられているリレーＲＹ３はオンとされている。従って、変圧器Ｔ３および自立用電力取出部５５に給電されている。

上記したように本実施形態によれば、系統連系モードにおいて給電する連系用給電手段５０Ａは、第２電力変換器３の第２スイッチング素子３０の制御により、本実施形態の電源装置に系統連系する商用電源４の電圧波形の周波数および電圧に同期させて整合させた電流を生成し、電流波形を保証する電流制限型である。これに対して、商用電源４の停電時（自立モード）において、自立用給電手段５０Ｂは、発電機１２で発電した発電電力の周波数および電圧を、ＭＰＵ５７から指示された指示周波数および指示電圧に同期させて整合させ、電圧波形を保証する電圧制限型である。

このような本実施形態によれば、スイッチング素子ＡＳ１〜ＡＳ３により、１台の電源装置で、電流制限型のインバータと、電圧制限型のインバータとを構成することができる。

また、上記したように本実施形態によれば、図１に示すように、自立用電力取出部５５の出力電圧を絶縁するための変圧器Ｔ３が、自立用電力取出部５５と第２電力変換器３との間における自立用給電線３５に設けられている。自立モードによれば、第２電力変換器３の電力が自立用給電線３５およびオン状態のリレーＲＹ３を介して変圧器Ｔ３に給電されるため、突入（励磁）電流が変圧器Ｔ３に発生し、本実施形態に係る電源装置の許容電流を超え、第２電力変換器３が過電流状態となるおそれがある。

そこで本実施形態によれば、商用電源４が停電している自立モードにおいては、ＭＰＵ５７は、ＭＰＵ５７で指示される信号Ａ４で設定される指示電圧を、パルス的に急激に立ち上げないで、時間経過と共に徐々に増加させ、指示電圧にゆっくりと近づけるように制御する。即ち、ＭＰＵ５７で指示される信号Ａ４で設定される指示電圧を傾斜的に増加させる傾斜制御を行う。

これにより変圧器Ｔ３への突入（励磁）電流による過電流トリップを抑制することができる。このため本実施形態に係る電源装置の許容電流範囲内において変圧器Ｔ３から所定の電圧を出力することができる。

また、家庭等では、電力負荷として、突入電流が発生し易いモータを有する掃除機等が使用されることが多い。この場合、自立モードに切り替えたとき、第２電力変換器３の許容電流を超え、発電停止状態となるおそれがあり、実用性に欠ける。この点について本実施形態によれば、図１に示すように、自立用電力取出部５５から取り出される電流を直接または間接的に検知する電流検知部ＣＴが、自立用給電線３５側に設けられている。即ち、電流検知部ＣＴが自立用電力取出部５５側に設けられている。電流検知部ＣＴで検知された電流信号は、増幅器１００（電流抑制部に相当）に入力される。自立モードにおいては、スイッチング素子ＡＳ４が自立位置ａに切り替えられている。このため、自立モードにおいて、電流検知部ＣＴで検知された検知電流が設定値よりも高いときには、増幅器１００は、三角波信号と比較される信号Ａ８の電圧レベルを低下させる信号Ａ２０を演算部８３に出力する。この結果、自立モードでは、演算部８３は、振幅制御部８２から出力された信号Ａ８の振幅値を信号Ａ２０ぶん低下させる。このため自立用電力取出部５５から取り出される電流波形をピーク値が低下する方向に歪ませることができる。

また本実施形態によれば、自立用電力取出部５５は給電用コンセントで形成されており、給電用コンセントのパネル５５ｐは、自立用電力発生指令部５２を備えている。このように給電用コンセントが自立用電力発生指令部５２を備えているため、商用電源４の停電時において、環境雰囲気が暗闇であっても、ユーザが自立用電力発生指令部５２を探すのに有利となる。

更にまた本実施形態によれば、ユーザ等により自立用電力発生指令部５２が自立モード側に操作されるとき、補助電源５３から発生する電力の電圧を昇圧させる昇圧部５９（作動部）が設けられている。そして、昇圧部５９で昇圧された電圧に基づいて、発電機１２をスタータモータとして駆動させてエンジン１１を起動させ、これにより発電機１２を回転駆動させて自立用電力を発生させる。この自立用電力は、第１電力変換器２および第２電力変換器３を介して自立用電力取出部５５から取り出される。

図４はＭＰＵ５７が実施する制御則の一例を表すフローチャートを示す。フローチャートはこれに限定されるものではなく、適宜変更できる。図４に示すように、初期設定（ステップＳ１０２）後に、自立用電力発生指令部５２の操作状況を読み込む（ステップＳ１０４）。自立用電力発生指令部５２が自立モード側に操作されていないと（ステップＳ１０６のＮＯ）、読込を続ける。そして、自立用電力発生指令部５２が自立側に操作されていると（ステップＳ１０６のＹＥＳ）、昇圧部５９を昇圧させる（ステップＳ１０８）。そして、昇圧された電圧（直流中間Ｐ，Ｎの電圧）が設定圧まで昇圧されたか否か判定する（ステップＳ１１０）。直流中間点Ｐ，Ｎの電圧が設定圧まで昇圧されていれば（ステップＳ１１０のＹＥＳ）、発電機１２をスタータモータとして機能させてエンジンを起動させると共に、エンジン１１に燃料を供給する（ステップＳ１１２）。これによりエンジン１１を起動させる。

エンジン１１が起動してエンジン回転数が所定回転数になり安定すれば（ステップＳ１１４のＹＥＳ）、連系用給電線４０のリレーＲＹ１，ＲＹ２をオフとすると共に、自立用給電線３５のリレーＲＹ３をオンとする。更にスイッチング素子ＡＳ１、ＡＳ２、ＡＳ３、ＡＳ４を連系位置ｃから自立位置ａに切り替える（ステップＳ１１６）。更に、指示周波数の信号（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）を出力する（ステップＳ１２０）。この場合、時間経過につれて指示電圧を徐々に増加させる（ステップＳ１２２）。

自立条件が揃ったら（ステップＳ１２４のＹＥＳ）、電流検知部ＣＴで検知される電流を読み込む（ステップＳ１２６）。電流検知部ＣＴで検知された電流が設定値以上であり、且つ、電流を低下させる必要があれば（ステップＳ１３０のＹＥＳ）、増幅器１００のゲインを増加させ、信号Ａ２０を増加させ、ひいては連系用給電線４０および自立用給電線３５の電流を低下させる（ステップＳ１３２）。その後、その他の処理を実施し（ステップＳ１３４）、メインルーチンにリターンする。電流を低下させる必要がなければ（ステップＳ１３０のＮＯ）、その他の処理を実施し（ステップＳ１３４）、メインルーチンにリターンする。

なお、本実施形態に係る電源装置はエンジン駆動式空調装置に適用することができる。従って、電源装置に係るエンジン１１は、空調回路におけるコンプレッサを回転駆動させることにより、空調回路の冷媒を圧縮させる圧縮工程、冷媒を吸い込む冷媒吸込工程を実施することができる。

（実施形態２）
本実施形態は上記した実施形態１と同様の構成および作用効果を有するため、図１〜図４を準用する。自立モードにおいて増幅器１００のゲインを増加させれば、信号の電圧レベルを低下させる信号Ａ２０を大きくできる。結果として、自立用電力取出部５５から取り出される電流波形をピーク値を低下させることができる。このように自立モードにおいては、電流検知部ＣＴで検知された検知電流が設定値よりも高いときには、自立用電力取出部５５から取り出される電流が増幅器１００（電流抑制部）により低下される。このため、商用電源４の停電時において、掃除機、遅れ負荷であっても運転可能となる。自立モードの始期から終期にわたり、増幅器１００のゲインを増加させ、信号の電圧レベルを低下させる信号Ａ２０を大きくできる。結果として、自立モードの始期から終期にわたり、自立用電力取出部５５から取り出される電流波形をピーク値を低下させることができる。

（他の実施形態）
発電要素１０は、交流の電力を発生させる発電機１２と、燃料で駆動し且つ発電機で駆動されるエンジン１１とされているが、これに限らず、燃料電池スタックとしても良い。その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施可能である。

上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
（付記項）電力を発生させる発電要素と、前記発電要素の発電電力を商用電源の所定の商用周波数をもつ電力に変換して系統連系可能とする電力制御部と、前記発電要素とは別に電力を発生させるための補助電源と、前記商用電源の停電時において前記補助電源の電力に基づいて前記発電要素を起動させて自立用電力を発生させる自立モードとする指令を出力するための自立用電力発生指令部と、前記自立用電力発生指令部が前記自立用電力を発生させる自立モードとする指令を出力するとき、前記補助電源から発生する電力に基づいて前記発電要素を作動させて前記自立用電力を発生させる作動部と、前記商用電源の停電時において前記発電要素が発電した前記自立用電力を取り出すための自立用電力取出部とを具備していることを特徴とする自立運転機能付き系統連系電源装置。

産業上の利用分野

本発明はコージェネシステムに利用することができる。

コージェネシステムに使用される電源装置を模式的に示す図である。 スイッチング素子が系統連系モードに設定されている電源装置を模式的に示すブロック図である。 スイッチング素子が自立モードに設定されている電源装置を模式的に示すブロック図である。 ＭＰＵが実施する自立モードの制御則の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１０は発電要素、１１はエンジン、１２は発電機、２は第１電力変換器、２０は第１スイッチング素子、３は第２電力変換器、３０は第２スイッチング素子、３５は自立用給電線、４は商用電源、４０は連系用給電線、５０は電力制御部、５０Ａは連系用給電手段、５０Ｂは自立用給電手段、５２は自立用電力発生指令部、５３は補助電源、５４は制御部、５５は自立用電力取出部、５６はシステム制御部、５７はＭＰＵ（周波数電圧指令部）、５９は昇圧部（作動部）、ＡＳ１，ＡＳ２，ＡＳ３，ＡＳ４はスイッチング素子、ａはスイッチング素子の自立位置、ｃはスイッチング素子の連系位置を示す。

Claims (6)

1. 電力を発生させる発電要素と、
   前記発電要素の発電電力を商用電源の所定の商用周波数をもつ電力に変換して系統連系可能とする電力制御部と、
   前記発電要素とは別に電力を発生させるための補助電源と、
   前記商用電源の停電時において前記補助電源の電力に基づいて前記発電要素を起動させて自立用電力を発生させる自立モードとする指令を出力するための自立用電力発生指令部と、
   前記自立用電力発生指令部が前記自立用電力を発生させる自立モードとする指令を出力するとき、前記補助電源から発生する電力に基づいて前記発電要素を作動させて前記自立用電力を発生させる作動部と、
   前記商用電源の停電時において前記発電要素が発電した前記自立用電力を取り出すための自立用電力取出部とを具備しており、
   前記電力制御部は、
   系統連系モードにおいて系統連系する前記商用電源の所定の商用周波数をもつ電力の電圧波形に同期させる電力を発生させる連系用給電手段と、
   前記自立モードにおいて前記自立用電力用の基準周波数および／または指示電圧を指令する周波数電圧指令部と、
   前記自立モードにおいて前記周波数電圧指令部から出力された前記基準周波数および／または前記指示電圧に基づいて前記自立用電力の周波数および／または電圧を調整する自立用給電手段と、
   前記連系用給電手段と前記自立用給電手段とを切り替えるためのスイッチング素子とを具備することを特徴とする自立運転機能付き系統連系電源装置。
2. 請求項１において、前記発電要素は、交流の電力を発生させる発電機と、燃料で駆動し且つ前記発電機を駆動させると共に前記発電機で起動可能なエンジンとを備えていることを特徴とする自立運転機能付き系統連系電源装置。
3. 請求項１または２において、前記自立用電力取出部の出力電圧を絶縁するための変圧器を有しており、前記周波数電圧指令部は、前記周波数電圧指令部で指示される指示電圧を時間経過と共に徐々に増加させ、前記変圧器への突入電流による過電流トリップを抑制することを特徴とする自立運転機能付き系統連系電源装置。
4. 請求項１〜３のうちの一項において、前記自立用電力取出部から取り出される電流を直接または間接的に検知する電流検知部と、前記電流検知部で検知された電流が設定値よりも高いとき、前記自立用電力取出部から取り出される電流を低下させるための電流抑制部とが設けられていることを特徴とする自立運転機能付き系統連系電源装置。
5. 請求項１〜４のうちの一項において、前記自立用電力取出部は、機器と電気接続可能な給電用コンセントであり、前記自立用電力発生指令部を備えていることを特徴とする自立運転機能付き系統連系電源装置。
6. 請求項２〜５のうちの一項において、前記作動部は、前記補助電源の電圧を昇圧させる昇圧部であり、前記自立用電力発生指令部が前記自立用電力を発生させる自立モードとする指令を出力するとき、前記電力制御部は、前記昇圧部で昇圧された電圧に基づいて前記発電要素の前記発電機をモータとして駆動させて前記エンジンを起動させることにより、前記発電機で前記自立用電力を発生させることを特徴とする自立運転機能付き系統連系電源装置。

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