JP3886027B2 - コジェネレーション装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コジェネレーション装置に関し、特に、電力系統との連系機能を備える家庭用コジェネレーション装置等、小型のコジェネレーション装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境保護の必要性が喧伝され、自家発電設備としてのコジェネレーションシステムや分散型電源システムが注目されており、これらシステムのコジェネレーション装置や分散型電源を有効に活用するため、商用電力系統や他の大規模発電系統との連系による電力需要の平準化が図られている。例えば、特開２０００−８７８０１号公報には商用電力系統と連系された比較的小規模な家庭用コジェネレーション装置が開示されている。
【０００３】
しかし、系統との連系において、コジェネレーション装置で発生した電力の余剰分を系統に逆潮流させるいわゆる売電においては、売電価格と発電のための燃料費等とのバランス上、必ずしも経済的でないことがある。このため、余剰電力を逆潮流させず、温水ヒータへ供給することによって余剰電力を温水の熱エネルギとして貯蔵することが考えられている。
【０００４】
図５は余剰電力を使用する温水ヒータを含むコジェネレーション・システムの一例を示す要部構成図である。ガスエンジンで駆動される３相交流発電機１００の出力は整流器１１０で直流に変換される。この直流はインバータ１２０で所定の周波数を有する交流に変換されて出力される。インバータ１２０の出力側は家庭内負荷１３０および温水ヒータ４０に接続されるほか、商用電力系統１５０に接続される。温水ヒータ４０に余剰電力を供給するため、制御装置１６０が設けられる。この制御装置１６０は電流検出器１７０で検出した逆潮流電流値を取り込み、この逆潮流電流値が「０」になるよう、トライアック１８０を制御して温水ヒータに流れる電流を増減している。このように、温水ヒータに余剰電力を供給するコジェネレーション・システムは、例えば、特開平８−４５８６号公報に開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
交流出力側で余剰電力を温水の熱エネルギとして貯蔵するシステムでは次のような問題点がある。第１に、温水ヒータに対する通電のための制御装置を新たに設けなければならない。第２に、大電力ヒータ（温水ヒータ）のスイッチノイズが商用電力ラインに漏出するためこの対策が必要になる。第３に、必要以上に質の高い交流電力が温水ヒータに供給されることになる。温水ヒータ用の電源としては高品質が要求されないにもかかわらず、インバータに接続されている温水ヒータへは、系統電源と連系して家庭内負荷等の電気負荷に供給できる質の高い交流電力が供給される。そのため、温水ヒータが接続されていなければインバータは定格よりも軽負荷で使用できるところ、常に定格運転を余儀なくされるという問題点がある。
【０００６】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、温水ヒータに対する通電の制御を簡単にするとともに、インバータ装置の負担を軽減しつつ、余剰電力を有効に使用することができ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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エンジンで駆動される発電機と、前記発電機の出力交流を直流に変換した後、インバータにより前記直流を所定周波数の交流に変換するインバータ装置と、前記インバータ装置の出力交流を系統電源に連系する制御装置とを有するコジェネレーション装置において、前記エンジンの排熱を利用して温水を作る排熱利用機器と、前記温水を貯える貯湯タンクと、前記貯湯タンク内の温水を電気加熱するため前記インバータの入力側に接続されたヒータと、前記インバータの負荷の増減に応じて変動する該インバータの入力側電圧を、前記ヒータへの通電量を制御することによって予定値に維持するヒータ制御手段とを具備した点に第１の特徴がある。
【０００８】
第１の特徴によれば、インバータの負荷の増減による発電機の発生電力と消費電力との差が小さくなるよう、ヒータに供給される電力が調整される。そして、ヒータの熱は貯湯タン内の温水に伝達され、余剰の電力が熱エネルギとして貯えられる。ヒータはインバータの入力側から電力を供給されるので、ヒータへの電力供給分はインバータの負担が軽減される。
【０００９】
また、本発明は、前記ヒータ制御手段が、前記インバータの負荷が増加した場合は前記通電量を徐々に減少させる一方、前記インバータの負荷が減少した場合は前記負荷増加時よりも速く通電量を増加させて前記インバータの入力側電圧を予定値に維持するよう構成された点に第２の特徴がある。
【００１０】
第２の特徴によれば、負荷増大時に急激な出力の変動が生じるのを防止でき、一時的に生じる電力不足は系統電源から供給される。また、負荷急減時には高速に応答して逆潮流を防ぐことができる。
【００１１】
また、本発明は、前記排熱利用機器からの熱要求に応答して前記エンジンに始動指示を供給するよう構成した点に第３の特徴がある。第３の特徴によれば、排熱利用機器からの熱要求があったときにエンジンが始動されるので、家庭用等、小型のコジェネレーション装置であっても高い運転効率を得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
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１は、コジェネレーション・システムの構成を示すブロック図である。同図において、エンジン発電機１０はエンジン１１と発電機１２とを含み、エンジン１１で発電機１２を駆動してその回転数に応じた交流を発生させる。発電機１２はエンジン１１に連結される回転子と３相出力巻線が巻回された固定子とからなる。３相出力巻線の出力端はインバータ装置１３に接続される。インバータ装置１３は発電機１２から出力された交流を商用電力系統と同じ品質（電圧、周波数、ノイズ等に関して）の交流に変換し、商用電力系統の位相と同期をとって連系させる。
【００１３】
具体的には、インバータ装置１３は発電機１２から出力された交流を直流に変換するコンバータ１３１、およびコンバータ１３１で変換された直流を商用電力系統の周波数、電圧に合致した交流に変換するインバータ回路１３３、ならびにフィルタ回路１３４および連系リレー１３５を有する。インバータ装置１３の出力交流は連系リレー１３５およびメインスイッチ１３６を介して商用電力系統１４と連系するとともに、内部（例えば家庭内）の電気負荷１５に接続される。
【００１４】
インバータ回路１３３を制御するインバータ制御部１３７はインバータ回路１３３のトランジスタをスイッチングするとともに、出力電流Ioおよびコンバータ１３１の出力電圧Vdc 並びに系統保護部１３８からの信号に基づいて連系リレー１３５の開閉を制御するなど、インバータ回路１３３の保護機能を果たす。
【００１５】
インバータ制御部１３７は、さらに常時電気負荷１５の負荷電流ILを監視しており、出力電流Ioおよび負荷電流ILが等しくなるようインバータ回路１３３を制御する機能を有する。インバータ制御部１３７は、負荷電流ILの増加時は出力電流Ioを徐々に増大させてハンチングやエンジン１１の失速を防止する一方、負荷電流ILの減少時には、この減少に高速に応答して逆潮流を防止する。
【００１６】
コンバータ１３１の出力側には、ヒータ４０およびヒータ４０に直列に接続されたスイッチング手段としてのトランジスタ４１が接続される。ヒータ４０は後述の貯湯タンク内に設けられる。コンバータ１３１の出力電圧Vdc がヒータ制御部４２に入力され、ヒータ制御部４２はこの出力電圧Vdc を一定に保持するようオンデューティ比が調整されたパルス信号をトランジスタ４１のベースに供給する。
【００１７】
系統保護部１３８は系統電圧データと周波数データとを監視し、これらが所定値から外れていたときや系統電源の停電時に、異常と判断してインバータ制御部１３７に異常を通知したり、連系リレー１３５を開いて連系を解列するなどの系統保護機能を果たす。停電は、系統の位相の跳躍の有無によって判断してもよいし、周期的に系統に対してインバータ出力の位相をシフトさせ、そのときの位相変化量に基づいて判断してもよい。インバータ制御部１３７にはインバータ装置１３およぼ商用電力系統１４で異常が発生したときの異常内容および異常発生に伴う動作停止（異常停止）を記憶するためのＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性メモリが設けられる。
【００１８】
連系リレー１３５はインバータ装置１３の連系運転時に閉じ、インバータ装置１３の運転停止時には開いて解列する。連系リレー１３５は系統保護のための遮断装置を兼ね、系統異常時に解列する。連系リレー１３５の開閉はマイクロコンピュータで構成できる前記インバータ制御部１３７や系統保護部１３８によって制御されるが、メインスイッチ１３６のオフ時には開いて（解列して）いる。
【００１９】
エンジン１１を制御するためＥＣＵ３８が設けられ、ＥＣＵ３８は連系リレー１３５が予め定められた時間経過後も解列が継続しているとき、エンジン１１の停止指令を出力する。ＥＣＵ３８にはエンジン発電機１０で異常が発生したときの異常内容および異常停止を記憶するためのＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性メモリおよび異常停止を表示するＬＥＤなどによる表示部が設けられる。
【００２０】
ＥＣＵ３８とインバータ制御部１３７および系統保護部１３８（本明細書ではＥＣＵ側に対してインバータ制御側と呼ぶことがある）とで互いに状態を通知するため、通信部１３９が設けられる。また、エンジン発電機１０およびインバータ装置１３の駆動用電源および制御用電源はインバータ装置１３の出力側に接続される電源部１４０から供給される。
【００２１】
エンジン１１にはミキサ３３で混合された空気およびガスの混合気が導入される。ガスの吸入管３４の途中には比例弁３５が設けられ、この比例弁３５の開度により空燃比が調節される。エンジン１１内で混合気は燃焼し、排気管３６から排気される。排気管３６の途中には酸素濃度センサ３７が設けられる。ＥＣＵ３８は酸素濃度センサ３７で感知された排気中の酸素濃度に基づいて比例弁３５を調整して混合気の空燃比を理論空燃比に制御する。
【００２２】
次に、上記のコジェネレーション・システムの排熱を利用したシステムについて説明する。図２のブロック図において、図１と同符号は同一又は同等部分を示す。エンジン１１は発電機１２の運転に伴って熱を発生し、この熱はエンジン１１の熱回収装置１６で熱交換により回収される。この熱回収はエンジン１１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。熱回収装置１６を通過する管路１８内の冷却水はポンプ１９で循環され、この冷却水を媒体として貯湯タンク１７に熱量が運搬される。貯湯タンク１７には管路１８に接続された第１熱交換器２０が設けられ、水供給源３１からバルブ３２を介して貯湯タンク１７に供給される水はこの第１熱交換器２０から熱を得て温水になる。貯湯タンク１７に蓄えられた温水は、第１熱負荷としての給湯器２１に供給されて利用・消費される。
【００２３】
第１熱交換器２０の上方には第２熱交換器２２が設けられる。第２熱交換器２２に接続された管路２３にはセントラルヒーティングシステムや床暖房システム等、第２熱負荷としての暖房装置２４が接続されており、貯湯タンク１７内の温水を給湯器２１に供給する温水経路とは独立した第２の温水経路を構成している。この第２の温水経路によって、貯湯タンク１７から２次的に効率よく熱を回収することができる。さらに、発電機１２で発電された電力の余剰分で加熱される前記ヒータ４０が貯湯タンク１７の下部に配置して固定される。
【００２４】
前記第２の温水経路には追い焚きボイラ２５と三方弁２６とが設けられている。追い焚きボイラ２５には第２の温水経路内で温水を循環させるためのポンプ２７が設けられている。三方弁２６はバイパス２８側または暖房装置２４側に温水を循環させるための切り替え手段である。三方弁２６を暖房装置２４側に切り替えると、貯湯タンク１７から出た温水が追い焚きボイラ２５および暖房装置２４を経て貯湯タンク１７に戻る温水経路が形成される。一方、三方弁２６をバイパス２８側に切り替えると、貯湯タンク１７から出た温水が、追い焚きボイラ２５を通過した後、暖房装置２４を経由せず、バイパス２８を経て貯湯タンク１７に戻る温水経路が形成される。
【００２５】
貯湯タンク１７内には温度センサＴＳ１が設けられ、温度センサＴＳ１で検知された温水の温度情報Ｔ１はコントローラ２９に供給される。温度センサＴＳ１は貯湯タンク１７内の、第１熱交換器２０の上端近傍から第２熱交換器２２の下端近傍までの適当な高さに設置されるのが望ましい。
【００２６】
コントローラ２９は温度情報Ｔ１に基づいてエンジン１１の始動および停止の制御を行う。すなわち、温度情報Ｔ１は、貯湯タンク１７の温水を直接的に利用している給湯器２１や、第２熱交換器２２を介して間接的に温水を利用している暖房装置２４等の熱需要を代表しているので、コントローラ２９は、この温度情報Ｔ１が基準温度Ｔref-1 以下であれば熱需要が大きいと判断してヒートリクエスト（熱要求信号）を前記ＥＣＵ３８に出力してエンジン１１を駆動し、熱量を発生させる。また、温度情報Ｔ１が基準温度Ｔref-1 以上になれば、貯湯タンク１７内には十分な熱量が蓄えられたと判断してヒートリクエストをオフにし、エンジン１１を停止させる。
【００２７】
基準温度Ｔref-1 は熱負荷の種類や大きさ（つまり給湯器２１や暖房装置２４の種類や大きさ）、エンジン発電機１０の熱出力、および貯湯タンク１７の容量等に基づいて決定される。基準温度Ｔref-1 はエンジン１１の安定運転のため、つまり頻繁な起動・停止を回避するためのヒステリシスを有している。
【００２８】
貯湯タンク１７内の水温は温水消費量つまり熱需要の大きさや、エンジン発電機１０の運転方法つまり一定発電出力型であるか電力負荷追随型であるかによって大きく左右される。例えば、温水消費量が少ない場合は、温度センサＴＳ１で検出された水温に基づいてエンジン発電機１０を運転すれば水温は８０°Ｃ程度に維持できる。しかし、給湯器２１および暖房装置２４の双方で熱需要が発生した場合のように温水が急激に大量に使用された場合や、システムの立上げ時には、貯湯タンク１７内の温水の温度は低下し、給水される水の温度程度にしかならないことがある。
【００２９】
追い焚きボイラ２５は、貯湯タンク１７内の水温をエンジン発電機１０からの回収熱のみでは基準温度に維持できないときに、有効に機能する。温水コントローラ３０は、貯湯タンク１７内の水温Ｔ１が、前記基準温度Ｔref-1 よりも低く設定された下方基準温度Ｔref-L を下回った場合に追い焚き指令Ｂおよび切替え指令Ｃをともにオンにする。追い焚き指令Ｂがオンのときは追い焚きボイラ２５が駆動され、切替え指令Ｃがオンのときは三方弁２６はバイパス２８側に切り替えられる。これにより、追い焚きボイラ２５で加熱された温水が管路２３を循環し、この加熱された温水は第２熱交換器２２を通じて貯湯タンク１７内の水の温度を上昇させる。
【００３０】
なお、温度センサＴＳ１より上方に第２の温度センサＴＳ２を設け、前記温度情報Ｔ１が基準温度Ｔref-1 以下になった場合、または温度センサＴＳ２で検出された温度情報Ｔ２が基準温度Ｔref-2 （＞Ｔref-1 ）以下になった場合に、コントローラ２９がＥＣＵ３８にヒートリクエストを出力してもよい。
【００３１】
エンジン発電機１０は、温度センサＴＳ１による温度情報Ｔ１が、基準温度Ｔref-1 より高く設定した基準温度Ｔref-3 （例えば７０°Ｃ）以上になった場合に停止させる。温度センサＴＳ１による温度情報Ｔ１が基準温度Ｔref-3 に達していれば貯湯タンク１７内に貯溜された熱量は十分と判断できるからである。
【００３２】
なお、上記貯湯タンク１７内の水温で代表される熱負荷の大きさに基づくエンジン発電機１０の始動・停止の制御例は、本出願人の出願に係る特願平１１−１０６２９６号の明細書にさらに詳しく説明されている。
【００３３】
前記ヒータ制御部４２を詳細に説明する。発電機１２の出力電圧Vdc は電気負荷１５の変動に伴って変動する。従来、この電気負荷１５の大きさに応じた発電電力を出力するため、コンバータ１３１のサイリスタ導通角を制御して出力電圧Vdc が予定値に収斂するよう定電圧制御されることがあった（例えば、特開平１１−３０８８９６号公報，特開２０００−８７８０１）。本実施形態では、負荷が発電出力よりも大きい状態すなわち余剰電力が「０」の時の系統電圧変動による負荷変化、およびエンジンの回転変動等による入力変化時のVdc の制御にこのような制御を行いつつ、さらに加えて余剰電力をヒータ４０に供給することにより、この定電圧制御に加えて出力電圧Vdcを制御できる。
【００３４】
図３は、発電機１２の電圧−電流特性を示す図である。前記電気負荷１５が減少すると出力電圧Vdc は上昇し、電気負荷１５が増大すると出力電圧Vdc は低下する。この出力電圧Vdc を予め設定した基準値Vdcrefに収斂するため、ヒータ４０に流れる電流を増減させる。これにより、電力の過不足はヒータ４０に供給される電流で調整される。
【００３５】
図４は、ヒータ制御部４２の処理を示すフローチャートである。ステップＳ１では、出力電圧Vdc を読み込む。ステップＳ２では、出力電圧Vdc が基準値Vdcrefより高いか否かを判別する。出力電圧Vdc が基準値Vdcrefより高いときは、ステップＳ３で、ヒータ４０に供給する電流Ihを予定の調整量ΔIhだけ増加させる。より具体的には前記トランジスタ４１のベースに印加するパルス信号のオンデューティ比を調整量ΔIhに相当する分、増大させる。出力電圧Vdc が基準値Vdcrefより低いときは、ステップＳ４で、ヒータ４０に供給する電流Ihを予定の調整量ΔIhだけ低減させる。
【００３６】
前記調整量ΔIhは負荷増大時つまりヒータ電流Ihを低減させるときより、負荷低減時つまりヒータ電流Ihを増大させるときの方で大きくすることができる。すなわち、負荷電流の増加に際してはヒータ４０への通電量を徐々に減少させるとともに、負荷電流の減少に際してはヒータ４０への通電量を速やかに増大させることができる。これにより、負荷増大時に急激な出力の変動が生じるのを防止してエンジン１１の負担を少なくできる。なお、この場合、一時的に生じる電力不足は系統電源から供給される。また、負荷急減時には高速に応答して逆潮流を防ぐことができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１〜請求項３の発明によれば、インバータの入力側にヒータを接続したので、ヒータへ供給される電力分だけインバータの負担を軽減することができる。特に、インバータの入力側の電圧を予定値に維持するようヒータへの通電量を制御するので、余剰電力検出手段をヒータの通電制御専用に設ける必要がなく、システムを簡素化することができる。
【００３８】
また、ヒータ制御トランジスタのスイッチノイズの商用電力ライン（系統側）への漏出を抑制することができる。
【００３９】
また、請求項２の発明によれば、負荷増大時に急激な出力の変動が生じるのを防止でき、一時的に生じる電力不足は系統電源から供給される。また、負荷急減時には高速に応答して逆潮流を防ぐことができる。
【００４０】
さらに、請求項３の発明によれば、排熱利用機器からの熱要求でエンジンが始動されるので、家庭用等、小型のコジェネレーション装置であっても高い運転効率を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 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。
【図２】 排熱利用機器を含む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。
【図３】 発電機の電圧−電流特性を示す図である。
【図４】 ヒータ制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図５】 従来の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。
【符号の説明】
１０…エンジン発電機、 １１…エンジン、 １２…発電機、 １３…インバータ装置、 １４…商用電力系統、 １６…水冷装置、 １７…貯湯タンク、 ２０…第１熱交換器、 ２１…給湯器、 ２２…第２熱交換器、 ２４…暖房装置、 ２５…追い焚きボイラ、 ２９…コントローラ、 ３０…温水コントローラ、 ３５…比例弁、 ３８…ＥＣＵ、 ４０…ヒータ、 ４２…ヒータ制御部、１３１…コンバータ、 １３３…インバータ回路、 １３５…連系リレー、 １３６…メインスイッチ、 １３７…インバータ制御部、 １３８…系統保護部、 １３９…通信部

Claims (2)

1. エンジンで駆動される発電機と、前記発電機の出力交流を直流に変換した後、インバータにより前記直流を所定周波数の交流に変換するインバータ装置と、前記インバータ装置の出力交流を系統電源に連系する制御装置とを有するコジェネレーション装置において、
   前記エンジンの排熱を利用して温水を作る排熱利用機器と、
   前記温水を貯える貯湯タンクと、
   前記貯湯タンク内の温水を電気加熱するため前記インバータの入力側に接続されたヒータと、
   前記ヒータへの通電量をスイッチングにより制御することによって前記インバータへの供給電圧を予定値に維持するヒータ制御手段とを具備し、
   前記ヒータ制御手段が、前記インバータの負荷が増加した場合は前記通電量を徐々に減少させる一方、前記インバータの負荷が減少した場合は前記負荷増加時よりも速く通電量を増加させて前記インバータへの供給電圧を予定値に維持するように構成されたことを特徴とするコジェネレーション装置。
2. 前記排熱利用機器からの熱要求に応答して前記エンジンの始動指示を供給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。

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