JP3780808B2 - 自家発電設備 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発電機能を備えた分散電源設備に関し、安定して電力を供給するのに好適な自家発電設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
分散電源としては、主として、内燃機関を用いたもの、自然エネルギー（風力発電，太陽光発電）を用いたものがあり、特に内燃機関を用いて自家発電による電力と排熱を利用した熱を供給する、いわゆるコージェネレーション設備としてはこれまでに多数の例がある。電力と、熱源としての燃料を別個に購入する場合に比べエネルギー利用率が高く、かつ電力料金と燃料費を合わせたエネルギー費用を節約できるという利点があり、今後も多数の施設で導入が見込まれている。これらは電力需要数１００ｋＷ以上、熱需要も数１０万kcal／ｈ以上という大規模施設であるが、比較的負荷変動の大きい部門では、負荷需要に対して、どの程度の発電能力・熱能力を考慮してコージェネレーションシステムを導入するかが課題となる。また、系統への逆潮流が認められる場合は、余剰電力を商用系統へ逆潮流させ、原理的に発電機を定格出力で一定運転すればよく比較的運用が簡単であるが、保護継電器等の費用が高くつくのが実情である。しかしながら、連系系統の状態においては、逆潮流が認められない場合もあり、この場合には、受電電力の一定制御等が必要となるため、必ずしも、需要家側の負荷のすべてをコージェネレーションで補うことができなかった。
【０００３】
これに対処するため、電力会社との協議を必要としない系統分離方式が提案されており、例えば、名古屋大学理工科学研究センター主催のシンポジウム『21世紀にむけたエネルギー技術・I』p.10-21（1999.4）に紹介されている。これには、小口産業用として9.8ｋＷ 用のガスエンジンコージェネレーションシステムにおいて、マルチ切替器による制御方式が提案されており、最大２０Ａの機械式と半導体式スイッチのハイブリットスイッチを複数制御することにより、負荷需要に対して、コージェネレーションの自家発電と系統からの供給により対処している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した方式は、スイッチング素子として、１００／２００Ｖ・２０Ａ（２ｋＶＡ−４ｋＶＡ）の容量しかなく、大容量となるとスイッチング素子そのものが高価になるため、系統分離方式が実現できていないのが実情である。従って、これまでの自家発電設備では、電力需要の需要変動に対する利用率が高いものとは言えなかった。
【０００５】
本発明の目的は、電力需要の需要変動に対して、自家発電設備の利用率を高めると共に、安定的した電力供給を可能とする自家発電設備を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の自家発電設備は、自家発電装置と連系装置，制御装置を備え、連系装置を、それぞれが、外部系統側端子，自家発電装置側端子，切替スイッチを有し、該切替スイッチの位置を、外部系統側端子，自家発電装置側端子，中間点の断路位置とすることにより、需要家負荷側を、外部系統側と接続，自家発電装置側と接続、外部系統側及び自家発電装置側の双方と断路状態にする第１及び第２の切替器と、これら第１及び第２の切替器を連系する連系線と、複数の需要家負荷のそれぞれに対して設けられた複数の配電遮断器とから構成し、制御装置を、需要家負荷の負荷電力が自家発電装置の発電電力よりも小さい場合に、一方の切替器の切替スイッチの位置を自家発電装置側端子とし、他方の切替器の切替スイッチの位置を断路状態に維持し、負荷電力が発電電力を超える場合に、断路状態にある他方の切替器の切替スイッチの位置を外部系統側端子に切り替えるように、第１及び第２の切替器を制御するように構成したことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本実施例は発電機能を備えた分散電源設備に関わり、特に、ホテル，集合住宅，コンビニ店舗等に電力を安定的に供給するのに好適な自家発電設備およびその制御方法に関するものである。
【０００９】
以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例である自家発電装置の構成図を示したものである。発電装置は特に図示していないが、コージェネレーション本体１にあるものとする。図１内部にある熱交換器（熱回収系統）により熱回収された熱エネルギーは、伝熱管１１，循環ポンプ１７を介して、貯湯タンク１２に送られる。１６は給水管、１８はガス供給管である。さらに、貯湯タンク１２とボイラ１４は給湯配管１３を介して接続され、給湯配管１３によって供給される給水（給湯）はボイラ１４で所定の温度にされてから、最終給湯管１５から外部に供給される。
【００１０】
自家発電装置による発電電力は、連系装置２を介して複数の需要家負荷３、及び受電遮断器４２，受電電力量計４１を介して連系されている外部系統４に供給される。
【００１１】
連系装置２は、切替器５，６、電力需要モニター２３，２４、配電遮断器２１で構成され、該切替器５，６は、各々、系統側端子５１，６１、自家発電側端子５２，６２、切替スイッチ５３，６３より構成される。切替スイッチ位置は、系統側、中間点の断路位置、自家発側の３箇所があり、制御装置７の指令により、高速切替が可能となっている。なお、２２は切替器５，６の連系線である。
【００１２】
連系装置２の制御装置７の入出力は、電力需要モニター２３，２４により、需要家負荷をモニターする需要家電力信号線７１，７２、切替器５，６（切替スイッチ５３，６３）の切替制御信号を送信する切替信号線７３，７４、自家発電装置への発電出力指令を送信する発電出力指令信号線７５、自家発電装置の発電出力信号を検出する発電出力信号線７６、外部系統側を電圧監視モニターする電圧信号線７７により構成されている。基本的には、自家発電設備で発電される発電電力と、需要家負荷電力との比較により、切替器５，６を選択的に切り替えることによって、負荷変動の需要変化に高速に対応することができる。
【００１３】
尚、自家発電装置としては、ガソリンエンジン，ディーゼルエンジン，ガスエンジン，ケロシンエンジン，ロータリエンジン，ガスタービン，燃料電池を適用することができる。また、自然エネルギーとして、太陽光発電，風力発電も含むことができる。実際には、気候に左右されない常時発電タイプと、自然エネルギーを利用した発電タイプとのハイブリット自家発電方式が望ましい。また、常時発電タイプ、自然エネルギーを利用した発電タイプと、２次電池との貯蔵装置を組み合わせたトリプル自家発電方式はさらに良いが、コストとの兼ね合いで検討すべきものである。
【００１４】
このように構成された自家発電装置において、切替器５の切替スイッチ５３は断路位置（系統側端子５１と自家発側端子５２の中間位置）にあり、切替器６の切替スイッチ６３は、発電機側端子６２に接続されている。常時は、負荷需要電力に比べて、発電出力を少し多めに発電されている。負荷の電力需要モニター２３，２４により監視されている負荷需要が急増した場合、自家発電だけの電力では容量が不足するため、切替器５の切替スイッチ５３を高速投入する。この投入タイミングは、外部系統側の電圧監視モニターの電圧信号線７７の値により、電圧零検出して同期投入することが望ましい。これにより、負荷需要の急増分の電力を、外部系統４から補うことができる。本実施例の特長は、常時、切替スイッチ５３が断路位置にあるため、機械式のスイッチの場合においても投入時間だけの例えば数ｍｓの短時間で系統側に切替が可能である。切替器に、半導体スイッチを用いるなら、数μｓでのさらに短時間の切替が可能である。
【００１５】
短時間の間の負荷急増で、負荷需要電力が発電電力より減少したならば、切替スイッチ５３を、元の断路位置へ戻す。この場合、切替スイッチ５３は、負荷遮断の能力だけで良く、しかも、遮断時間は、数１０ｍｓの低速タイプのものでも良いので、通常の機械式のスイッチを採用することができる。一定の時間を監視して、負荷需要が減少しない場合は、発電出力指令信号線７５を介して、自家発電出力の増大を指令する。反対に負荷の電力需要モニター２３，２４により監視されている負荷需要が急減した場合は、切替スイッチ５３は、状態を保持したままで負荷需要を監視し、一定の時間を過ぎても、負荷が元の状態に戻らない場合は、発電出力指令信号線７５を介して、自家発電出力の減少を指令する。このような制御をすることにより、内燃機関を用いた自家発電の場合、燃料を節約することができ、発電コストを節約することができる。
【００１６】
上述したように、本実施例によれば、負荷需要の増加に対し、自家発電出力が不足する場合において、切替スイッチ５３の系統側への投入と遮断により、外部系統よりの電力を負荷に対して短時間供給し、その間に発電出力を適正な発電機出力に制御することができる。このため、安定的に負荷に電力を供給することができ、しかも発電機の燃料を節約することができる。また、切替スイッチは、高速の電流遮断機能を必要としないため、半導体式等の高価格なスイッチを用いずに、大容量の機械式スイッチを採用することができる。
【００１７】
図２は、総客室数１９１のリゾートタイプホテルの１年間の使用電力量の経年変化を示したものである。冬季において、日に約１万ｋＷｈを使用しており、夏季のピーク時には、約２万５千ｋＷｈに達している。これを２４時間平均にしても、４００ｋＷ〜１０００ｋＷになる。冬季の最低と夏季のピーク時との比は、約２．５倍以上であるので、自家発電装置を導入する場合にもむやみに大きくできないため、最小限の４００〜６００ｋＷあたりの設備を持つことになる。さらに使用電力量の日の時刻別変動もはげしいため、自家発電設備の発電出力制御が難しくなる。このような背景を元に、本実施例の発電制御方式を次に示す。
【００１８】
図３は、図１に示す制御装置７の詳細図である。自家発電の出力は、負荷パターン設定器８１により、過去の履歴に基づいた季節を考慮した一日の時刻別負荷パターンが設定されており、自家発電電力は、該パターンにできるだけ近い形で発電される。切替器設定器８２により、連系装置２内の切替器５（切替器▲１▼）は、断路位置に、切替器６（切替器▲２▼）は自家発側に初期設定される。比較器８３では、負荷需要電力ＰＬと最小発電電力（ＰＧ０）との比較が行われ、負荷需要電力ＰＬが最小発電電力（ＰＧ０）より小さい時は、５の切替器▲１▼を系統側へ投入する（８４）。このとき、自家発電設備による発電は停止または起動可能な状態に待機させる。また、負荷需要電力ＰＬが最小発電電力ＰＧ０より等しいか大きい場合は、５の切替器▲１▼を断路位置に戻す（８５）。さらに、負荷需要ＰＬを監視して、比較器８６により自家発電の電力ＰＧと負荷需要ＰＬの比較を行い、自家発電の電力ＰＧが負荷需要ＰＬより大きい場合は、５の切替器▲１▼は断路位置の状態を維持する（８７）。負荷需要ＰＬの電力が自家発電の電力ＰＧと等しいか大きくなった場合は、５の切替器▲１▼を系統側に投入する（８８）。以上の操作を、その日の負荷パターンの時刻変化に合わせて発電し、しかも負荷需要ＰＬの変動分は、連系装置２の制御により最適化されている。
【００１９】
本実施例では、需要家負荷３に対して自家発電設備による電力供給が行われる通常運転時には、切替器▲１▼は断路位置に維持されると共に、切替器▲２▼は自家発電設備側に投入されている。ここで、負荷需要が自家発電設備の最小発電電力より小さい状態になった場合、或いは負荷需要が自家発電設備の発電電力以上に電力を必要となった場合には、切替器▲１▼の切替スイッチが断路位置から外部系統４に投入される。このとき、切替器▲２▼の切替スイッチ６３は自家発電側端子６２側に投入された状態のまま行われる為、需要家負荷に対して安定した電力供給を行うことが可能となる。
【００２０】
以上述べたように、本実施例によれば、発電設備の出力を負荷の時刻パターンにより制御しており、また、負荷需要の変動分は、外部系統へ切り替えることにより対処できる。このため必要最小限の自家発電設備の最大電力を有効に利用することができ、しかも低負荷需要の場合、料金の安い外部系統からの電力を有効に利用でき、自家発電の燃料コストを低減する効果がある。
【００２１】
図４は、コージェネレーションシステムの内燃機関にガスタービンを使用した例を示した図である。図１と同一機能には、同じ番号で記している。
【００２２】
ガスタービン発電機は、ガスタービン１０５と発電機１０４が連結され、その発電機出力を波形成形して需要家に商用周波数の交流電力を供給するために、電力変換装置１０３，コンデンサ１０２，電力変換装置１０１，発電機用遮断器１０７より構成されている。連系装置２の制御を含む発電機制御装置１００は、負荷需要電力信号線７１，７２、切替器５，６の切替信号線７３，７４、電力変換装置の出力制御線１０９，発電機出力モニター１０６の発電出力信号線１０８，燃料の発電機出力信号線７５，７６、発電出力指令信号線７８、外部系統側の電圧信号線７７の入出力機能と、その発電機出力調整機能を有している。
【００２３】
このような構成において、短時間の間の負荷急増，負荷減少等の制御動作は、図１と同じである。しかしながら、図４の構成の場合、自家発電機の出力制御を、電力変換装置１０１で高速に制御できるのが特長である。すなわち、需要家負荷３で、短絡事故等が発生した場合、通常、配電遮断器で、過電流を検出して遮断するのが通常であるが、遮断には、約１００ｍｓ以上時間がかかる。本構成の場合、過電流を検出すると、発電機制御装置１００から、１０９の出力制御線にゲートブロック信号を出して、発電機出力を数ｍｓ以内の短時間に停止することができる。このため、短絡電流による負荷機器の損傷を少なくする効果がある。
【００２４】
また、切替器６のスイッチの位置を変更する場合、例えば、切替スイッチ６３を自家発側端子６２から、断路位置にする場合、負荷電流を遮断する必要がある。この場合、電力変換装置１０１をゲートブロックして、電力を短時間（最大でも商用周波数の１サイクル）停止し、その間に、切替スイッチ６３を、無アークで、自家発側端子６２から、断路位置へ変更することができる。この機能により、複数の切替器５，６がある場合、ひとつの切替器の動作が偏るのではなく、途中で、切替動作を変更することにより、切替器の寿命を平均化して、長寿命の信頼性ある連系装置２を提供することができる。
【００２５】
なお、図４では、発電設備として１０５にタービンを使用した例であるが、自然エネルギーである風車を利用した風力発電方式でも、同様の構成となる。
【００２６】
図５は、本発明の他の実施例である自家発電を用いたシステム構成を示す。
２１１は図４で示した内燃機関を用いた発電機（例えばガスタービン発電機）、２１２は風力発電機、２１３は太陽光発電機、２１４は２次電池を用いた電力貯蔵装置、２０５は、燃料電池発電機を示す。２０１，２０２，２０３，２０４，２０５は２１１〜２１５の各制御装置の子機であり、システム制御装置２００とは、２２１〜２２５の制御線で連系されている。本システムは、常時発電できる２１１の内燃機関発電機・２１５の燃料電池発電機と、自然エネルギーを用いる風力発電機２１２・太陽光発電機２１３と、各発電機からの出力を平準化及び、貯蔵する役目の電力貯蔵装置２１４が、総合的に運転できるシステムとなっている。風力発電機・太陽光発電機は、気象環境に左右されるため発電出力は、変動し易いが、この変動分を吸収して、安定的に電力を出力するために、電力貯蔵装置２１５による制御が必要となる。また、夜間等の電力消費がベースロードだけの少ない時には、２１５の燃料電池発電機だけの運転で可能となる。本構成システムの複数の発電機と貯蔵装置を用いることにより、負荷３の需要をまかない、低ランニングコストが可能となる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、電力需要の需要変動に対して、自家発電設備の利用率を高めると共に、安定した電力供給を可能とする自家発電設備を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である自家発電装置の構成図。
【図２】使用電力量の一例を示す図。
【図３】本実施例の制御装置の詳細図。
【図４】内燃機関発電機を用いた本発明の一実施例図。
【図５】複数の発電機・貯蔵装置を用いた本実施例のシステム図。
【符号の説明】
１…コージェネレーション本体、２…連系装置、５，６…切替器、５１，６１…系統側端子、５２，６２…自家発側端子、５３，６３…切替スイッチ、２１…配電遮断器、２２…連系線、２３，２４…電力需要モニター、７…連系装置の制御装置、７１，７２…需要家電力信号線、７３，７４…切替信号線、７５…発電出力指令信号線、７６…発電出力信号線、７７…電圧監視モニターの電圧信号線、８１…負荷パターン設定器、８２…切替器設定器、８３，８６…比較器。

Claims (2)

1. 自家発電装置と連系装置を有し、複数の需要家負荷に前記連系装置を介して前記自家発電装置の発電電力を供給するとともに、前記連系装置に受電遮断器を介して外部系統を接続した自家発電設備であって、
   前記連系装置は、
   第１及び第２の切替器であって、それぞれが、外部系統側端子，自家発電装置側端子，切替スイッチを有し、該切替スイッチの位置を、外部系統側端子，自家発電装置側端子，中間点の断路位置とすることにより、前記需要家負荷側を、前記外部系統側と接続、前記自家発電装置側と接続、前記外部系統側及び前記自家発電装置側の双方と断路状態にする第１及び第２の切替器と、
   前記第１及び第２の切替器の需要家負荷側で前記第１及び第２の切替器を連系する連系線と、
   該連系線よりも需要家負荷側で、前記複数の需要家負荷のそれぞれに対して設けられた複数の配電遮断器とを有し、
   前記自家発電設備は、前記需要家負荷の負荷電力が前記自家発電装置の発電電力よりも小さい場合に、一方の切替器の切替スイッチの位置を自家発電装置側端子とし、他方の切替器の切替スイッチの位置を断路状態に維持し、前記負荷電力が前記発電電力を超える場合に、断路状態にある他方の切替器の切替スイッチの位置を外部系統側端子に切り替えるように、前記第１及び第２の切替器を制御する制御装置を備えたことを特徴とする自家発電設備。
2. 請求項１に記載の自家発電設備において、前記制御装置は、前記負荷電力が前記発電電力より減少した場合、切替スイッチの位置が外部系統側端子に切り替えられた前記他方の切替器の切替スイッチの位置を断路状態に戻すように制御することを特徴とする自家発電設備。

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