JP4043405B2

JP4043405B2 - 系統連系装置

Info

Publication number: JP4043405B2
Application number: JP2003145053A
Authority: JP
Inventors: 圭吾鬼塚; 康弘牧野
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2003-05-22
Filing date: 2003-05-22
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2023-05-22
Also published as: JP2004350420A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電機などで発電した発電電力を商用電力ラインに供給する系統連系装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガスエンジンなどの内熱機関により発電機を駆動して発電し商用電力ライン（商用電力系統）に発電電力を供給すると共に、当該内熱機関での排熱を給湯などに利用可能としたコージェネレーションシステムが実用化されている。このようなコージェネレーションシステムにあっては、発電電力の商用電力ラインへの供給に系統連系装置が用いられている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
系統連系装置は、電圧を昇圧する昇圧回路と、電力周波数を変換するインバータ回路とを備え、発電電力の電圧および周波数を変換して商用電力ラインに供給する構成となっている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２６８７９９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記昇圧回路は、平滑用昇圧用コンデンサを備え、当該平滑用昇圧用コンデンサに発電源からの発電電力を蓄え電圧の昇圧を行う構成が一般的である。
【０００６】
しかしながら、系統連系装置の稼動時にあっては、上記平滑用昇圧用コンデンサの電位差が高電位となっており、当該系統連系装置の稼動直後に、作業員がメンテナンスなどを行った場合、この平滑用昇圧用コンデンサに蓄えられた電力により感電する危険性がある。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、系統連系装置の稼動直後にメンテナンス作業が行われる場合であっても、作業員が平滑用昇圧用コンデンサに蓄えられた電力によって感電するのを防止できる系統連系装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、交流電力を発電する交流電源である発電源からの発電電力を昇圧する昇圧回路と、前記昇圧回路により昇圧された発電電力の周波数を商用電力周波数に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路と商用電力ラインとの間に介挿される系統連系スイッチと、前記系統連系スイッチが開状態となった場合に、前記昇圧回路が備える昇圧用コンデンサに蓄えられている電荷を放電する放電回路とを備え、前記発電源と前記昇圧回路との間には、発電機接続スイッチと、前記発電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路とが設けられ、前記放電回路は、前記系統連系スイッチと連動して閉成する第１のマグネットスイッチと、前記発電機接続スイッチと連動して閉成する第２のマグネットスイッチと、放電用負荷とを備え、前記系統連系スイッチおよび前記発電機接続スイッチの各々が開状態となった場合に、前記第１および第２のマグネットスイッチが閉成し、前記放電用負荷と前記昇圧用コンデンサとが直列接続された閉回路を形成し、前記昇圧用コンデンサに蓄えられている電荷を放電することを特徴とする系統連系装置を提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態にかかる系統連系装置１８を備えたコージェネレーションシステム１００の構成を模式的に示す図である。このコージェネレーションシステム１００は、電力を発電して屋内外に設置された分電盤１５に電力を供給し、商用電源２１（単相三線式１００Ｖ／２００Ｖ）からの電力供給線である商用電力供給ライン２２を介して例えば空気調和装置などの電気機器である負荷１６に発電電力を供給すると共に、発電時に発生する排熱を熱エネルギーとして排熱利用部１４に供給するものである。
【００１５】
さらに詳述すると、図１に示すように、コージェネレーションシステム１００は、内熱機関であるガスエンジン１１と、エンジン制御部１３とを備えている。エンジン制御部１３は、負荷１６における電力需要に応じてガスエンジン１１の回転数を制御し、当該電力需要を満足する電力量が発電されるように発電機１７を駆動する。ガスエンジン１１は、エンジン制御部１３の制御の下、都市ガスなどの一次エネルギー源２０を燃焼させてタイミングベルトおよびプーリなどで構成される動力伝達機構部１２を介して発電機１７を駆動するものである。発電機１７は、三相交流電力を発電し系統連系装置１８に出力するものである。
【００１６】
系統連系装置１８は、発電機１７からの発電電力を商用電源２１から供給される商用電力と略同じ電圧および周波数の単相交流に変換し、発電電力供給ライン２３を介して分電盤１５および当該分電盤１５に商用電力供給ライン２２を介して電気的に接続された負荷１６に送給するものである。なお、系統連系装置１８の詳細な構成については後述することにする。
【００１７】
コージェネレーションシステム１００は、ガスエンジン１１の冷却水と熱交換する熱交換器（不図示）を備え、ガスエンジン１１の稼動によって発生した排熱が熱交換器により回収され、熱エネルギーとして排熱利用部１４に供給される構成となっている。排熱利用部１４は、例えば給湯装置などであり、ガスエンジン１１の排熱が給湯槽内に温水のかたちで蓄えられることとなる。
【００１８】
コントローラ１９は、系統連系装置１８を制御するものである。具体的には、コントローラ１９は、発電機１７の回転数またはガスエンジン１１の回転数に基づいて系統連系装置１８の目標発電電力量を設定し、発電電力量が当該目標発電電力量となるように系統連系装置１８全体を制御する。
【００１９】
次いで、上述した系統連系装置１８について詳述する。図２は、系統連系装置１８の電気的構成を示す回路図である。同図に示すように、系統連系装置１８は、大別して、次の６つの回路ブロックを有している。すなわち、発電機接続スイッチ１８Ａと、コンバータ回路１８Ｂと、昇圧回路１８Ｃと、インバータ回路１８Ｄと、フィルタ回路１８Ｅと、系統連系スイッチ１８Ｆとであり、各々が、この順で接続されている。また、系統連系装置１８の各回路ブロックは、上記コントローラ１９により制御される。
【００２０】
上記発電機接続スイッチ１８Ａは、発電機１７の出力端に電気的に接続され、コントローラ１９の制御に応じて開閉し、閉状態の間、発電機１７からの発電電力をコンバータ回路１８Ｂに出力するものであり、リレー・マグネットスイッチ（電磁開閉器）により構成される。具体的には、発電機接続スイッチ１８Ａは、三相交流電力を発電する発電機１７の各々の線相に設けられた３つのマグネットスイッチ常開接点５０ａと、通電されると磁力を発生して各マグネットスイッチ常開接点５０ａを閉成するマグネットコイル５０ｂとを備え、コントローラ１９が備える発電機開閉列用リレーコントローラ１９２によりマグネットコイル５０ｂが励磁された場合に、３つのマグネットスイッチ常開接点５０ａの各々が閉成し発電機１７とコンバータ回路１８Ｂとが通電する。
【００２１】
コンバータ回路１８Ｂは、上記発電機１７からの交流電力を直流に変換し、昇圧回路１８Ｃに出力するものであり、三相全波整流ダイオード５１と、平滑コンデンサ５２とを備えている。三相全波整流ダイオード５１は、発電機１７からの交流を整流するものであり、平滑コンデンサ５２は、三相全波整流ダイオード５１にて整流された直流から脈流成分を除去し平滑化するものである。また、図示のように、本実施形態では、サージ電圧により平滑コンデンサ５２が破損するのを防止すべく、バリスタ５３が平滑コンデンサ５２と並列に接続されている。
【００２２】
昇圧（チョッパ）回路１８Ｃは、コンバータ回路１８Ｂからの直流電圧をチョッピング動作により昇圧してインバータ回路１８Ｄに出力するものであり、昇圧用リアクトル６０と、昇圧用スイッチング素子６１（例えばＩＧＢＴなどのパワーデバイス）と、ダイオード６２と、昇圧用コンデンサ６３とを備えている。これらの素子のうち、昇圧用リアクトル６０および昇圧用スイッチング素子６１は、直列回路を構成し平滑コンデンサ５２に接続され閉回路を形成すると共に、ダイオード６２および電解コンデンサ６３からなる直列回路が昇圧用スイッチング素子６１と並列に接続されている。昇圧用スイッチング素子６１のコレクタ、エミッタ間には、アノードがエミッタ側となるようにしてフライホイールダイオード６４が並列に接続されている。昇圧用スイッチング素子６１のオンオフタイミングは、コントローラ１９が備えるゲートブロックコントローラ１９０により制御される。
【００２３】
このような構成の下、昇圧回路１８Ｃにあっては、昇圧用スイッチング素子６１がオンとなったとき、平滑コンデンサ５２から昇圧用リアクトル６０に電力（電気エネルギー）が供給され、平滑コンデンサ５２、昇圧用スイッチング素子６１および昇圧用リアクトル６０からなる閉回路内で電流が還流する。一方、昇圧用スイッチング素子６１がオフとなったとき、昇圧用リアクトル６０に蓄積された電気エネルギーが当該昇圧用リアクトル６０、ダイオード６２および電解コンデンサ６３からなる閉回路に放出され、昇圧された直流電圧が電解コンデンサ６３にチャージされることとなる。なお、昇圧回路１８Ｃの昇圧率は、昇圧用スイッチング素子６１のオンオフタイミングで調整される。
【００２４】
インバータ回路１８Ｄは、昇圧回路１８Ｃから出力された昇圧直流電圧を交流電圧に変換してフィルタ回路１８Ｅに出力するものであり、フルブリッジ接続された４つのスイッチング素子７０を備えている。これらスイッチング素子７０の各々は、例えばＩＧＢＴなどのパワーデバイスであり、各々のコレクタ、エミッタ間には、アノードがエミッタ側となるようにしてフライホイールダイオード７１が並列に接続されている。スイッチング素子７０の各々のオンオフタイミングは、昇圧回路１８Ｃからの直流電圧が商用電源２１と略同じ周波数（例えば６０Ｈｚあるいは５０Ｈｚ）の交流電圧となるように、上記ゲートブロックコントローラ１９０により制御される。
【００２５】
フィルタ回路１８Ｅは、大別して、線間用フィルタ回路１８Ｅ−１と、ノイズフィルタ１８Ｅ−２とを備えている。線間用フィルタ回路１８Ｅ−１は、インバータ回路１８Ｄにおける各スイッチング素子７０のスイッチング動作に伴って線間に発生する電圧波形の凸凹ノイズを吸収し、正弦波の交流電圧として出力するものであり、２つのリアクトル８０と、コンデンサ（容量）８２とを備えている。リアクトル８１は、インバータ回路１８Ｄから引き出された２本の配線の各々に１つずつ介在すると共に、これら２つの配線を連結するようにコンデンサ８２が設けられている。なお、この線間用フィルタ回路１８Ｅ−１のカットオフ周波数は、インバータ回路１８Ｄのスイッチング周波数の電流を除去すべく、スイッチング周波数よりも低く設定されている。ノイズフィルタ１８Ｅ−２は、線間用フィルタ回路１８Ｅ−１から出力された交流電力からノイズ成分を除去するものであり、除去すべき周波数成分に応じたフィルタ回路により構成される。
【００２６】
系統連系スイッチ１８Ｆは、コントローラ１９の制御に応じて開閉し、閉状態の間、フィルタ回路１８Ｅからの発電電力を発電電力供給ライン２３を介して商用電力供給ライン２２（より詳細には分電盤１５）に供給するものであり、上記発電機接続スイッチ１８Ａと同様に、リレー・マグネットスイッチにより構成される。
【００２７】
具体的には、図示のように、発電電力供給ライン２３は、単相三線式である商用電源２１の各相に対応してＵ相線、Ｏ相線、Ｗ相線の３つの相線を有しており、系統連系スイッチ１８Ｆは、発電電力供給ライン２３の各相線に対応して設けられた３つのマグネットスイッチ常開接点９０〜９２と、マグネットスイッチ常開接点９０〜９２を閉成するマグネットコイル９３とを備え、コントローラ１９が備える系統開閉列用リレーコントローラ１９３によりマグネットコイル９３が励磁された場合に、各マグネットスイッチ常開接点９０〜９２が閉成し、単相２００Ｖの発電電力を発電電力供給ライン２３を介して商用電力供給ライン２２に送給する。ここで、発電電力供給ライン２３のＷ相線は、地絡線を介して接地されており、Ｗ相−Ｏ相線間の対地電位は交流１００Ｖ（ボルト）、Ｗ相−Ｕ相線間の対地電位は、交流２００Ｖ（ボルト）となる。
【００２８】
系統連系装置１８は、上記構成の下、発電機接続スイッチ１８Ａおよび系統連系スイッチ１８Ｆが閉成すると、発電機１７からの三相電力が発電機接続スイッチ１８Ａを介してコンバータ回路１８Ｂに入力され、当該コンバータ回路１８Ｂにて整流された後、昇圧回路１８Ｃにて昇圧される。そして、インバータ回路１８Ｄにて単相交流に変換された後、フィルタ回路１８Ｅにてノイズ成分などが除去されて略正弦波に成形されて、系統連系スイッチ１８Ｆおよび発電電力供給ライン２３を介して商用電力供給ライン２２に送給される。
【００２９】
また、商用電力供給ライン２２への発電電力送給を停止する場合には、発電機開閉列用リレーコントローラ１９２および系統開閉列用リレーコントローラ１９３の制御により、発電機接続スイッチ１８Ａおよび系統連系スイッチ１８Ｆが開となり、発電機１７からの電力入力が停止すると共に、商用電力供給ライン２２との電気的接続が切断される。
【００３０】
このように、発電電力送給の停止時には、発電機接続スイッチ１８Ａおよび系統連系スイッチ１８Ｆが略同時に開状態となるため、昇圧回路１８Ｃが備える昇圧用コンデンサ６３およびコンバータ回路１８Ｂが備える平滑コンデンサ５２には電荷が保持されたままとなる。従って、発電電力送給停止直後に、作業員などがメンテナンスなどのために、当該系統連系装置１８に触れると、昇圧用コンデンサ６３および平滑コンデンサ５２にチャージされている電荷（電気エネルギー）によって感電する恐れがある。
【００３１】
そこで、本実施形態にかかる系統連系装置１８には、発電機接続スイッチ１８Ａおよび系統連系スイッチ１８Ｆが開状態となるに連動して、昇圧用コンデンサ６３および平滑コンデンサ５２にチャージされている電荷を放電する放電回路１８Ｇが設けられている。
【００３２】
具体的には、この放電回路１８Ｇは、発電機接続スイッチ１８Ａが開状態となった場合に閉成する第１のマグネットスイッチ２００と、系統連系スイッチ１８Ｆが開状態となった場合に閉成する第２のマグネットスイッチ２０１と、放電用抵抗器２０２とを備えている。
【００３３】
第１のマグネットスイッチ２００は発電機接続スイッチ１８Ａに内蔵される常閉接点（Ｂ接点）により構成され、また、第２のマグネットスイッチ２０１は系統連系スイッチ１８Ｆに内蔵される常閉接点（Ｂ接点）により構成される。従って、発電機開閉列用リレーコントローラ１９２の制御により発電機接続スイッチ１８Ａが備えるマグネットコイル５０ｂが励磁されると、当該発電機接続スイッチ１８Ａは閉成する一方、これと略同時に第１のマグネットスイッチ２００が開状態となる。これと同様に、第２のマグネットスイッチ２０１は、系統連系スイッチ１８Ｆが閉成すると略同時に開状態となる。
【００３４】
放電用抵抗器２０２は、昇圧用コンデンサ６３および平滑コンデンサ５２にチャージされている電荷を放電するための放電用負荷であり、その一端が昇圧用コンデンサ６３およびコンバータ回路１８Ｂの正極側の結合点３０ａに接続されると共に、他端が第１および第２マグネットスイッチ２００、２０１を介して昇圧用コンデンサ６３および平滑コンデンサ５２の負極側の結合点３０ｂに接続されている。
【００３５】
このような構成の下、放電回路１８Ｇにあっては、発電機接続スイッチ１８Ａおよび系統連系スイッチ１８Ｆが開状態となった場合に、第１および第２マグネットスイッチ２００、２０１が閉成し、昇圧用コンデンサ６３および平滑コンデンサ５２からなる並列回路に放電用抵抗器２０２が直列に接続された閉回路が形成される。これにより、昇圧用コンデンサ６３および平滑コンデンサ５２にチャージされていた電荷（電気エネルギー）により放電用抵抗器２０２に電流が生じることで、この電荷の放電が行われることとなる。
【００３６】
このように、本実施形態にあっては、発電機接続スイッチ１８Ａおよび系統連系スイッチ１８Ｆが開状態となった場合に、昇圧用コンデンサ６３および平滑コンデンサ５２が放電用抵抗器２０２に接続され、昇圧用コンデンサ６３および平滑コンデンサ５２にチャージされていた電荷が放電用抵抗器２０２にて放電されるため、発電電力送給停止直後であっても、作業員などが感電するのが防止される。
【００３７】
＜参考形態＞
上述した実施形態では、発電源として交流電源が用いられ、系統連系装置１８が発電交流電力を商用電力供給ラインに系統連系する場合について例示した。本参考形態では、発電源からの発電直流電力を商用電力供給ラインに系統連系する系統連系装置について例示する。
【００３８】
図３は、本参考形態にかかる系統連系装置１８'を備えた系統連系システム１２０の構成を模式的に示す図である。この図において、図１と対応する構成部については、同一の符号を付し、重複を避けるために、その説明を省略することにする。
【００３９】
図３に示すように、系統連系システム１２０は、交流電力を発電する発電機１７（図１参照）に代えてソーラーパネル１２１を備えている。ソーラーパネル１２１は、自然エネルギーの一態様である太陽光から直流電力を発生する直流発電源であり、発電電力を系統連系装置１８’に供給する。なお、ソーラーパネル１２１に代えて、風力あるいは地熱などの自然エネルギーから電力を発生する発電源を用いても良い。
【００４０】
系統連系装置１８'は、ソーラーパネル１２１からの直流電力を単相交流に変換し、商用電力供給ライン２２に系統連系させるものであり、その電気的構成を図４に示す。同図に示すように、系統連系装置１８'が実施形態にて説明した系統連系装置１８と異なる点は、発電機接続スイッチ１８Ａ、コンバータ回路１８Ｂ、および、発電機接続スイッチ１８Ａと連動する第１のマグネットスイッチ２００を有していない点であり、ソーラーパネル１２１からの直流電力は、昇圧回路１８Ｃに直接入力される構成となっている。また、発電機接続スイッチ１８Ａが設けられていた箇所は、配線により短絡されている。
【００４１】
このような構成の下、系統連系装置１８’にあっては、系統連系スイッチ１８Ｆが閉成した場合には、第２のマグネットスイッチ２０１が開状態となると共に、ソーラーパネル１２１にて発電された発電直流電力が昇圧回路１８Ｃ、インバータ回路１８Ｄ、フィルタ回路１８Ｅ、系統連系スイッチ１８Ｆを介して商用電力供給ライン２２に系統連系される。
【００４２】
一方、系統連系スイッチ１８Ｆが開状態となった場合には、これと略同時に第２のマグネットスイッチ２０１が閉成し、昇圧用コンデンサ６３と放電用抵抗器２０２が直列接続された閉回路が形成され、当該昇圧用コンデンサ６３にチャージされていた電荷が放電用抵抗器２０２により放電されることとなる。
【００４３】
このように、本参考形態にかかる系統連系装置１８'では、系統連系スイッチ１８Ｆが開状態となった場合に、昇圧用コンデンサ６３にチャージされていた電荷が放電用抵抗器２０２にて放電されるため、発電電力送給停止直後であっても、作業員などが感電するのが防止される。
【００４４】
なお、上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様にすぎず、本発明の範囲内で任意に変形可能であることは勿論である。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、系統連系装置の稼動直後にメンテナンス作業が行われる場合であっても、作業員が昇圧用コンデンサに蓄えられた電力によって感電するのを防止できる系統連系装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる系統連系装置を備えたコージェネレーションシステムの構成を模式的に示す図である。
【図２】同系統連系装置の電気的構成を示す回路図である。
【図３】参考形態にかかる系統連系装置を備えた系統連系システムの構成を模式的に示す図である。
【図４】同系統連系装置の電気的構成を示す回路図である。

Claims

交流電力を発電する交流電源である発電源からの発電電力を昇圧する昇圧回路と、
前記昇圧回路により昇圧された発電電力の周波数を商用電力周波数に変換するインバータ回路と、
前記インバータ回路と商用電力ラインとの間に介挿される系統連系スイッチと、
前記系統連系スイッチが開状態となった場合に、前記昇圧回路が備える昇圧用コンデンサに蓄えられている電荷を放電する放電回路とを備え、
前記発電源と前記昇圧回路との間には、発電機接続スイッチと、前記発電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路とが設けられ、
前記放電回路は、前記系統連系スイッチと連動して閉成する第１のマグネットスイッチと、前記発電機接続スイッチと連動して閉成する第２のマグネットスイッチと、放電用負荷とを備え、前記系統連系スイッチおよび前記発電機接続スイッチの各々が開状態となった場合に、前記第１および第２のマグネットスイッチが閉成し、前記放電用負荷と前記昇圧用コンデンサとが直列接続された閉回路を形成し、前記昇圧用コンデンサに蓄えられている電荷を放電する
ことを特徴とする系統連系装置。