JP2015109746A - 発電システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電力負荷4の消費電力を計測する電力負荷消費電力計測手段5と、発電機10bの発電電力P10を消費する模擬負荷30と、発電機10bと模擬負荷30との接続部に配置され模擬負荷30の消費電力P30を変更可能な模擬負荷消費電力調整手段Xと、発電機10bの発電電力P10がエンジン10aを安定運転可能な所定の基準発電電力以上に維持されるように、電力負荷消費電力計測手段5の計測結果に基づいて模擬負荷消費電力調整手段Xを制御する模擬負荷制御を実行する模擬負荷制御手段32を備える。
【選択図】図1
Description
前記発電機に対して利用者側の電力負荷を解並列可能な電力負荷遮断器とを備え、
前記エンジンを駆動させた状態で前記電力負荷遮断器を解列状態から並列状態に切り換えて前記発電機に対して前記電力負荷を投入する電力負荷投入処理を実行し、前記発電機の出力電圧が規定電圧に維持されるように前記エンジンの出力を制御するエンジン出力制御を実行する発電制御手段を備えた発電システムに関する。
このような発電システムとして、商用電力系統からの受電が停止する停電時において、商用電力系統から発電機を切り離した状態で、発電機を駆動するエンジンを起動させて発電機の自立運転を行い、発電機の発電電圧が確立し安定して発電が行えるようになった段階で、停電時の給電対象とする電力負荷の一部又は全部の特定負荷を発電機に投入して、特定負荷への給電を継続するように構成されたものが知られている(例えば特許文献1を参照。)。
特に、停電時において投入される特定負荷については、全電力負荷のうちの一部の電力負荷に限定されており、更に、発電機に投入された特定負荷が多くの電力を消費するとは限らない。例えば、消費電力が非常に小さい状態で特定負荷が発電機に投入されると、発電機の発電電力が小さくなり、エンジンを極めて低出力で運転しなければならない。この場合、エンジンの運転状態が不安定となり、結果、排ガス中のNOxが増加するなどの排気エミッションの増加やストール等の問題が生じる場合がある。
エンジンにより回転駆動されて発電を行う発電機と、
前記発電機に対して利用者側の電力負荷を解並列可能な電力負荷遮断器とを備え、
前記エンジンを駆動させた状態で前記電力負荷遮断器を解列状態から並列状態に切り換えて前記発電機に対して前記電力負荷を投入する電力負荷投入処理を実行し、前記発電機の出力電圧が規定電圧に維持されるように前記エンジンの出力を制御するエンジン出力制御を実行する発電制御手段を備えた発電システムであって、
その特徴構成は、
前記電力負荷の消費電力を計測する電力負荷消費電力計測手段と、
前記電力負荷とは別に、前記発電機の発電電力を消費する模擬負荷と、
前記発電機と前記模擬負荷との接続部に配置され、前記模擬負荷の消費電力を変更可能な模擬負荷消費電力調整手段とを備え、
前記発電機の発電電力が前記エンジンを安定運転可能な所定の基準発電電力以上に維持されるように、前記電力負荷消費電力計測手段の計測結果に基づいて前記模擬負荷消費電力調整手段を制御する模擬負荷制御を実行する模擬負荷制御手段を備えた点にある。
詳しくは、模擬負荷制御手段により模擬負荷制御が実行されることで、発電機から発電電力の供給を受ける電力負荷の消費電力が上記基準発電電力を下回る場合(電力負荷の消費電力が0の場合や電力負荷が発電機に投入される前である場合も含む。)には、発電機に投入された模擬負荷の消費電力が基準発電電力に対する電力負荷の消費電力の不足分以上になるように模擬負荷消費電力調整手段が調整されて、当該不足分が賄われることになる。よって、発電機の発電電力が常に基準発電電力以上に維持されることで、エンジンの出力が比較的高いものに維持され、結果、エンジンの安定運転が実現されることになる。
また、このようなエンジンの安定運転を実現する構成として、模擬負荷と、その模擬負荷の発電機に対する接続部に模擬負荷消費電力調整手段とを設けた上で、模擬負荷制御手段により模擬負荷制御が実行するという合理的且つ簡単な構成を採用することができる。
従って、本発明により、エンジンにより発電機を回転駆動する発電システムにおいて、発電機に投入される電力負荷の消費電力が小さい場合でも、合理的且つ簡単な構成を採用するだけで、エンジンの運転状態を安定したものとして、排気エミッションの増加やストール等を抑制する技術を提供することができる。
前記模擬負荷消費電力調整手段が、前記模擬負荷として配置された負荷抵抗器に供給される発電電力の電圧を変更可能な電圧調整器で構成されている点にある。
このような電圧調整器を採用すれば、模擬負荷制御において、模擬負荷としての負荷抵抗器の消費電力を、電力負荷の消費電力の変動に合わせて瞬時且つ無段階で変化させることができるので、発電電力を極めて安定したものに維持することができ、エンジンの出力変動を抑制することができる。
前記模擬負荷が、前記発電機の発電電力を各別に消費する複数の負荷抵抗器からなり、
前記模擬負荷消費電力調整手段が、前記発電機に対して前記複数の負荷抵抗器の夫々を解並列可能な複数の模擬負荷遮断器で構成されている点にある。
前記発電制御手段が、前記電力負荷投入処理において、前記発電機に対する前記電力負荷の投入時期と同時又はその前に、前記発電機に対して前記模擬負荷を投入する点にある。
そこで、本特徴構成によれば、発電制御手段による電力負荷投入処理において、発電機に対する模擬負荷の投入時期を電力負荷の投入時期と同時又はその前の時期とする。すると、発電機に対して電力負荷が投入された時点及びそれ以降において、発電機の発電出力が基準発電電力以上に維持され、それによりエンジンの出力が比較的大きく保たれ、エンジンの安定運転が実現される。よって、電力負荷に対して安定して発電電力を供給することができる。
前記模擬負荷制御手段が、前記模擬負荷制御において、前記模擬負荷の消費電力を、前記発電機の基準発電電力に対する前記電力負荷の消費電力の差分に対応して変化させる点にある。
前記基準発電電力が複数段設定されており、
前記模擬負荷制御手段が、前記模擬負荷制御において、前記電力負荷消費電力計測手段の計測結果に基づいて前記基準発電電力を切り替える点にある。
前記発電制御手段が、前記電力負荷に対する商用電力系統からの給電が停止する停電を検出した停電時に、前記負荷遮断器を解列状態として前記エンジンを起動させた上で前記負荷投入処理を実行する点にある。
即ち、停電時に負荷投入処理及び模擬負荷制御を実行する場合において、模擬負荷を利用して、負荷投入準備時間(停電時から電力負荷が投入できる状態になるまでの時間)の短縮、負荷投入率(発電機の定格発電電力に対する電力負荷の消費電力の割合)の拡大、並びに、整定時間(電力負荷を投入してから発電機を駆動するエンジンの回転速度が安定するまでの時間)の短縮を実現できる。
この場合、停電時において、発電機に対しては、電力負荷の投入前に、模擬負荷が投入されることになる。そして、この投入される模擬負荷は電力負荷に比べて消費電力が小さいことから、この模擬負荷の投入時において発電機に投入される電力負荷の消費電力の増加幅は、略無負荷状態から電力負荷を突然投入したときと比べて小さくなる。よって、発電機を駆動するエンジンの回転速度を安定したものに維持して、発電機による安定した発電を継続することができる。また、電力負荷の投入前に、発電機に対して模擬負荷が投入されることから、略無負荷状態で発電機を運転するときと比べて、エンジンに適度な負荷をかけて暖機を進行させることができ、より早い段階で模擬負荷に比べて大きい電力負荷を投入可能な状態とすることができる。
更に、電力負荷の投入時においては、適宜模擬負荷の消費電力を低下させることで、電力負荷の投入時における発電機の発電電力の変動を抑制することができるので、比較的大きな電力負荷を投入した場合でも、エンジンの回転速度を安定したものに維持して、発電機による安定した発電を継続することができる。
即ち、停電時の負荷投入処理及び模擬負荷制御を実行するにあたり、発電機に電力負荷を投入する前に当該電力負荷よりも消費電力が小さい模擬負荷を投入する場合において、電力負荷の投入時における発電機の発電電力の増加幅は、発電機に対して略無負荷状態から電力負荷を突然投入したときと比べて小さくなるように、模擬負荷の最大消費電力及び発電機の目標発電電力が設定されることになる。
よって、電力負荷投入後において発電機を駆動するエンジンの回転速度を比較的早い段階で整定させて、発電機による安定した発電を継続することができる。
本発明に係る発電システムの第1実施形態について、図1〜図3に基づいて説明する。
図1に示す発電システムは、商用電力系統1から受電した受電電力を消費する電力負荷4を有する事業所などの施設に設けられて、当該商用電力系統1からの受電が停止する停電が発生したときに、電力負荷4に対して、発電装置10で発電した発電電力P10を供給するシステムとして構成されている。
尚、商用電力系統1から受電した受電電力は、電力線3に供給され、当該電力線3に遮断器6などを介して接続された電力負荷4に供給される。
この電力負荷4は、コンプレッサ、ポンプ、エレベータ、医療機器などの非常用設備などのように、施設の全電力負荷のうち重要負荷などの少なくとも一部の電力負荷とされている。
また、電力負荷4の電力線3に対する接続部には、電力負荷4の消費電力P4を計測する電力負荷消費電力計測器5(電力負荷消費電力計測手段の一例)が設けられている。
上記発電装置10は、商用電力系統1の受電電力と同じ基準電圧(例えば6600V)及び基準周波数(例えば60Hz)の発電電力P10を電力負荷4に供給可能なものとして構成されている。更に、発電装置10は、発電に伴って熱を発生するコージェネレーションシステムとして構成されている。
発電電力P10の出力側は、電力負荷遮断器13を介して電力線8に接続されており、また、この電力線8は、電力負荷遮断器7を介して電力線3に接続されている。
即ち、電力負荷遮断器13及び電力負荷遮断器7は、発電機10bに対して電力負荷4を解列自在に構成されている。
一方、発電制御装置15は、詳細については後述するが、系統連系保護継電器2の計測結果により停電が検出された停電時に、遮断器6を解列状態に切り換えて商用電力系統2から電力線3を切り離したうえで、エンジン10aを起動させた状態で、電力負荷遮断器13及び電力負荷遮断器7を解列状態から並列状態に切り換えて発電機10bに対して電力負荷4を投入する電力負荷投入処理を実行する。尚、この電力負荷4のように、エンジン10aの起動後に発電機10bに投入される電力負荷4を初期負荷と呼ぶ場合もある。
電圧調整器31は、発電機10bと模擬負荷30との接続部に配置されており、模擬負荷30に供給される電力の電圧を変更可能なサイリスタチョッパ制御器などで構成されている。即ち、この電圧調整器31は、模擬負荷30に供給される電力の電圧を調整することで、模擬負荷30の消費電力P30を変更可能な模擬負荷消費電力調整手段Xとして機能することになる。
尚、変圧器25で電圧が低下された電力を発電装置10の補機などに供給しても構わない。この場合、本実施形態において、発電機10bの発電電力は、補機の消費電力を差し引いたものとして取り扱う。
更に、本実施形態の発電システムは、模擬負荷30と、その模擬負荷30の発電機に対する接続部に模擬負荷消費電力調整手段Xとして機能する電圧調整器31とを設けた上で、発電機10bの発電電力P10がエンジン10aを安定運転可能な所定の基準発電電力P10max(図3参照)以上に維持されるように、電力負荷消費電力計測器5の計測結果に基づいて電圧調整器31を制御する模擬負荷制御を実行する模擬負荷制御装置32(模擬負荷制御手段の一例)が設けられている。そして、このような合理的且つ簡単な構成を採用するだけで、エンジン10aの運転状態を安定したものとして、排気エミッションの増加やストール等を抑制するように構成されている。尚、この基準発電電力P10maxは、エンジン10aを安定運転可能な発電電力として任意に設定することができる。
また、発電制御装置15と模擬負荷制御装置32とは、個別の制御装置として構成しても良いし、共通の制御装置が機能するように構成しても良い。
以下、このように発電システムが停電時において実行する停電時の電力負荷投入処理及び模擬負荷制御を含む発電制御の処理フロー、並びに、模擬負荷制御の処理フローについて、図2及び図3を参照して説明する。
先ず、発電制御の詳細について、図2及び図3を参照して説明する。
系統連系保護継電器2の計測結果により停電が検出された停電時(図2のステップ#1のyes側、図3の時間T0)には、発電制御装置15が、電力負荷遮断器13及び電力負荷遮断器7を解列状態(非通電状態)に切り替えて、発電機10bから電力負荷4を解列した状態で、蓄電電力によりセルモータを作動して、エンジン10aを自立起動させる(図2のステップ#2)。
すると、図3における時間T0〜時間T1において、エンジン10aの回転速度が上昇し、それに伴って、エンジン10aにより回転駆動される発電機10bの発電電圧が上昇する。
このことにより、エンジン10aの運転状態は安定したものに維持されたまま、エンジン10aに適度な負荷がかかり、結果、当該エンジン10aの暖機が早期に進行することになる。
そして、この電力負荷投入処理が実行されて発電機10bに電力負荷4が投入された後に、後述する模擬負荷制御が実行される(図2のステップ#6、図3の時間T2以降)。
次に、模擬負荷制御の詳細について、図3を参照して説明する。
この模擬負荷制御では、模擬負荷制御装置32が、発電機10bの発電電力P10が、エンジン10aを安定運転可能な基準発電電力P10maxに維持されるように、電圧調整器31の電圧調整を行って、模擬負荷30の消費電力P30を制御する。即ち、この模擬負荷制御では、模擬負荷30の消費電力P30は、電力負荷4の消費電力の変動とは逆位相で変化するように調整され、具体的には、基準発電電力P10maxに対する電力負荷4の消費電力P4の差分(P10max−P4)に調整される。
そして、模擬負荷制御装置32は、模擬負荷制御において、電力負荷消費電力計測器5で計測された電力負荷4の消費電力P4に基づいて基準発電電力P10maxを切り替える。具体的には、電力負荷4の消費電力P4が第1基準発電電力P10max(1)を基準として設定した所定の範囲内に所定の時間継続した場合には、第2基準発電電力P10max(2)を基準発電電力P10maxとして用い、逆に、電力負荷4の消費電力P4が第1基準発電電力P10max(1)を基準として所定の範囲内に所定の時間継続しなかった場合には、第1基準発電電力P10max(1)を基準発電電力P10maxとして用いる。
また、電力負荷4の消費電力P4が第1基準発電電力P10max(1)を基準として設定した所定の範囲内に所定の時間継続している期間(図3の時間T3〜時間T4)は、模擬負荷30の消費電力P30を発電電力P10が一定になるよう制御を継続する。
具体的に、基準発電電力P10maxを第1基準発電電力P10max(1)から第2基準発電電力P10max(2)に切り替えられるにあたり、先ずは、発電機10bの発電電力Pが第2基準発電電力P10max(2)に到達するまで(図3の時間T5まで)、模擬負荷30の消費電力P30が徐々に増加される。このことにより、エンジン10aの出力の急激な増加が抑制されて、エンジン10aの運転状態が安定したものに維持される。
そして、発電機10bの発電電力Pが第2基準発電電力P10max(2)に到達した時点以降(図3の時間T5以降)では、模擬負荷30の消費電力P30が、第2基準発電電力P10max(2)に対する電力負荷4の消費電力P4の差分(P10max(2)−P4)に制御されることで、発電電力P10が、第2基準発電電力P10max(2)に維持されることになる。
更に、発電機10bに対して、電力負荷4に先立って模擬負荷30が投入されるので、発電機10bに対して電力負荷4が投入された時点以降において、発電機10bの発電出力に対応するエンジン10aの出力が常に大きいものに保たれて、エンジン10aの安定運転が実現されることになる。
尚、エンジン10aを安定運転可能な第1基準発電電力P10max(1)は、別に定格発電電力の50%に限らず、任意に設定することができ、また、第2基準発電電力P10max(2)は、定格発電電力相当に限らず、第1基準発電電力P10max(1)よりも大きな基準発電電力Pmaxとして任意に設定することができる。
本発明に係る発電システムの第2実施形態について、図4及び図5に基づいて説明する。尚、上記第1実施形態と同様の構成については、説明を割愛する場合がある。
第2実施形態の発電システムでは、図4に示すように、発電機10bの発電電力P10を各別に消費する複数の負荷抵抗器からなる模擬負荷35が設けられており、これら複数の模擬負荷35は、電力線8に対して、後述する複数のリレーからなる模擬負荷遮断器36の夫々を介して変圧器25に接続されている。即ち、電力負荷遮断器13を介して電力線8に供給される発電機10bの発電電力P10は、変圧器25で所定の電圧まで低下された後に、複数の模擬負荷遮断器36の夫々を介して複数の模擬負荷35の夫々に供給することができる。
また、複数の模擬負荷遮断器36は、発電機10bと複数の模擬負荷35の夫々との接続部に配置されており、発電機10bに対して複数の模擬負荷35の夫々を解並列可能に構成されている。
よって、複数の模擬負荷遮断器36の夫々の状態を解列状態及び並列状態との間で切り替えて、発電機10bに対して投入される模擬負荷35の個数を変化させることで、複数の模擬負荷35の合計の消費電力P35(以下、単に「模擬負荷35の消費電力P35」と呼ぶ場合がある。)を変更可能となる。即ち、これら複数の模擬負荷遮断器36は、模擬負荷35の消費電力P35を段階的に変更可能な模擬負荷消費電力調整手段Xとして機能する。
即ち、模擬負荷制御装置37は、発電機10bの発電電力P10が基準発電電力P10maxに変動幅Aを加算した値(P10max+A)を上回るときに、発電機10bに対して投入される模擬負荷35の個数を1つ増加させ、一方、発電機10bの発電電力P10が基準発電電力P10maxを下回るときに、発電機10bに対して投入される模擬負荷35の個数を1つ減少させる形態で、模擬負荷消費電力調整手段Xを制御する。
すると、発電機10bの発電電力P10は、基準発電電力P10maxを最大にした変動幅A分の範囲内に維持されることになる。
尚、本実施形態において、第1基準発電電力P10max(1)は、発電機10bの定格発電電力の約50%よりも変動幅A分小さい電力に設定されており、第2基準発電電力P10max(2)は、発電機10bの定格発電電力よりも変動幅A分小さい電力に設定されている。
このことにより、エンジン10aの出力の急激な増加を抑制して、その運転状態を安定したものに維持することができる。
最後に、本発明のその他の実施形態について説明する。尚、以下に説明する各実施形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
例えば、商用電力系統1に連系して発電機10bにより発電を行って、電力負荷4に対して商用電力系統1からの受電電力と発電機10bの発電電力P10とを供給している状態において、発電機10bの発電電力P10が基準発電電力P10max以上に維持されるように、発電機10bに対して投入された模擬負荷30、35の消費電力P30、P35を制御することができる。
このことで、電力負荷4の消費電力P4が小さい場合でも、発電機10bの発電電力P10を比較的大きいものに維持できるので、エンジン10aの安定運転を実現することができる。
4 :電力負荷
5 :電力負荷消費電力計測器(電力負荷消費電力計測手段)
7 :電力負荷遮断器
8 :電力線
10 :発電装置
10a :エンジン
10b :発電機
13 :電力負荷遮断器
15 :発電制御装置(発電制御手段)
30、35:模擬負荷
31 :電圧調整器
36 :模擬負荷遮断器
32、37:模擬負荷制御装置(模擬負荷制御手段)
X :模擬負荷消費電力調整手段
Claims (7)
- エンジンにより回転駆動されて発電を行う発電機と、
前記発電機に対して利用者側の電力負荷を解並列可能な電力負荷遮断器とを備え、
前記エンジンを駆動させた状態で前記電力負荷遮断器を解列状態から並列状態に切り換えて前記発電機に対して前記電力負荷を投入する電力負荷投入処理を実行し、前記発電機の出力電圧が規定電圧に維持されるように前記エンジンの出力を制御するエンジン出力制御を実行する発電制御手段を備えた発電システムであって、
前記電力負荷の消費電力を計測する電力負荷消費電力計測手段と、
前記電力負荷とは別に、前記発電機の発電電力を消費する模擬負荷と、
前記発電機と前記模擬負荷との接続部に配置され、前記模擬負荷の消費電力を変更可能な模擬負荷消費電力調整手段とを備え、
前記発電機の発電電力が前記エンジンを安定運転可能な所定の基準発電電力以上に維持されるように、前記電力負荷消費電力計測手段の計測結果に基づいて前記模擬負荷消費電力調整手段を制御する模擬負荷制御を実行する模擬負荷制御手段を備えた発電システム。 - 前記模擬負荷消費電力調整手段が、前記模擬負荷として配置された負荷抵抗器に供給される発電電力の電圧を変更可能な電圧調整器で構成されている請求項1に記載の発電システム。
- 前記模擬負荷が、前記発電機の発電電力を各別に消費する複数の負荷抵抗器からなり、
前記模擬負荷消費電力調整手段が、前記発電機に対して前記複数の負荷抵抗器の夫々を解並列可能な複数の模擬負荷遮断器で構成されている請求項1に記載の発電システム。 - 前記発電制御手段が、前記電力負荷投入処理において、前記発電機に対する前記電力負荷の投入時期と同時又はその前に、前記発電機に対して前記模擬負荷を投入する請求項1〜3の何れか1項に記載の発電システム。
- 前記模擬負荷制御手段が、前記模擬負荷制御において、前記模擬負荷の消費電力を、前記発電機の基準発電電力に対する前記電力負荷の消費電力の差分に対応して変化させる請求項1〜4の何れか1項に記載の発電システム。
- 前記基準発電電力が複数段設定されており、
前記模擬負荷制御手段が、前記模擬負荷制御において、前記電力負荷消費電力計測手段の計測結果に基づいて前記基準発電電力を切り替える請求項1〜5の何れか1項に記載の発電システム。 - 前記発電制御手段が、前記電力負荷に対する商用電力系統からの給電が停止する停電を検出した停電時に、前記電力負荷遮断器を解列状態として前記エンジンを起動させた上で前記負荷投入処理を実行する請求項1〜6の何れか1項に記載の発電システム。
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