JP4371868B2 - コージェネレーション装置 - Google Patents

Description

本発明は、外部から供給される燃料を使用して第１の電力を発生する発電機ユニットと、第１の電力を所定の電圧と周波数の第２の交流電力に変換するインバータと、発電機ユニットの排出する排熱を回収する排熱回収装置とを備えてなるコージェネレーション装置に関し、特に、コージェネレーション装置のエネルギ効率の向上が可能な運転制御技術に関する。

近年、ＣＯ_２排出量の削減や省エネルギを志向した分散型エネルギシステムの開発が活発であり実用化も進んでおり、一般家庭、集合住宅、オフィスなどにおいても電力消費地で発電を行う分散型発電システムの利用が今後急速に進展するものと考えられる。特に、熱電併給可能なガスエンジンコージェネレーション装置等は、電力のみならず、ガスエンジンの発生する熱エネルギを同時に有効利用できるため、全体的なエネルギ効率の高さで注目を集めている。

ところで、コージェネレーション装置の運転制御として、ガスエンジンを予め設定した回転数で定格運転させる制御と、電力負荷の変動に追従してガスエンジンの回転数を増減させて負荷追従運転させる制御がある。前者の例として、例えば下記の特許文献１に、後者の例として、例えば下記の特許文献２に、各制御方法が開示されている。
特開２０００−８７８０１号公報 特開平１０−２８０９７１号公報

しかしながら、コージェネレーション装置の運転制御として、エンジン回転数を固定する第１の制御と、エンジン回転数を可変とする第２の制御は、何れも特定の運転領域、つまり、コージェネレーション装置の一定の出力範囲では、高効率運転が可能で、コージェネレーション装置としての省エネルギ性を発揮するが、運転領域の全域では、最大限に高効率運転とはなっていない。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、運転領域の全域で高効率運転が可能なコージェネレーション装置を提供することにある。

この目的を達成するための本発明に係るコージェネレーション装置の第一の特徴構成は、外部から供給される燃料を使用して回転エネルギを発生するエンジンと、前記エンジンの回転エネルギから第１の交流電力を発生する発電機と、前記第１の交流電力を所定の電圧と周波数の第２の交流電力に変換するインバータと、前記エンジンの排出する排熱を回収する排熱回収装置とを備えてなるコージェネレーション装置であって、前記インバータから外部に出力される出力電力が予め設定された第１閾値電力以上の場合は、前記エンジンの回転数を前記出力電力に応じて制御する第１制御モードで制御を行い、前記出力電力が前記第１閾値電力未満の場合は、前記エンジンの回転数を一定値に固定し、前記インバータの出力を可変にして制御する第２制御モードで制御を行う運転制御装置を備え、前記出力電力が前記第１閾値電力未満では、同じ電力負荷と熱負荷に対して商用電源と補助熱源を用いた場合と比較したコージェネレーション装置の所定の目的に対する性能を表す目的関数が、前記エンジンの回転数を仮に前記出力電力に応じて可変に制御した場合と比較して増大する点にある。

上記コージェネレーション装置の第一の特徴構成によれば、コージェネレーション装置から外部に出力される出力電力（インバータの出力電力からコージェネレーション装置内で消費される電力を差し引いた正味の出力電力）が第１閾値電力以下では、エンジンの回転数を一定値に固定することにより、コージェネレーション装置の目的関数が、当該回転数を出力電力に応じて可変に制御した場合と比較して増大するため、当該目的関数の改善が図れる。更に、当該一定値を適切に選択すれば、当該目的関数を最大或いは略最大とする一定値に固定して運転する制御を行うことができ、当該目的関数の更なる改善が図れる。

本願の発明者は、エンジンの回転数を当該一定値に固定して運転すると目的関数が最大となる出力電力範囲が、出力電力の低出力領域に存在することを見出し、更に、当該出力電力範囲の上限値を超えた領域では、出力電力の上昇とともに、目的関数を最大とするエンジンの回転数が高くなることを見出した。この結果、当該出力電力範囲の上限値を第１閾値電力に設定して、出力電力が第１閾値電力未満では、エンジンの回転数固定の第２制御モードで、出力電力が第１閾値電力以上では、エンジンの回転数可変の第１制御モードで、運転制御することで、全ての出力電力範囲（運転領域）で所定の目的関数を最適化するエンジン回転数の制御が可能となる。

従って、本特徴構成のコージェネレーション装置では、電力負荷、或いは、系統連系時においては電力負荷と系統連系状態に応じて出力電力の制御値が別途決定されると、その決定された出力電力に対して目的関数を最適化するエンジン回転数での運転が可能となる。

同第二の特徴構成は、上記第一の特徴構成に加えて、前記運転制御装置が、前記エンジンの回転数を前記第１制御モードで制御する場合、前記出力電力に応じて予め設定された回転数に制御し、前記予め設定された回転数が、前記出力電力を出力可能な複数の回転数候補の中から前記目的関数が最大となる回転数を選択して決定される点にある。

上記コージェネレーション装置の第二の特徴構成によれば、出力電力が第１閾値電力以上で変化する場合に、出力電力に応じた予め設定された回転数でエンジンの運転制御を行うことで、目的関数を最適化するエンジン回転数の制御が可能となる。また、出力電力の変化に応じてその都度目的関数を演算しながら制御する必要がなく制御が簡単化される。

同第三の特徴構成は、外部から供給される燃料を使用して第１の電力を発生する発電機ユニットと、前記第１の電力を所定の電圧と周波数の第２の交流電力に変換するインバータと、前記発電機ユニットの排出する排熱を回収する排熱回収装置とを備えてなるコージェネレーション装置であって、前記インバータから外部に出力される出力電力が予め設定された第２閾値電力以上の場合は、前記インバータの出力を前記出力電力に応じて可変にして制御する第３制御モードで制御を行い、前記出力電力が前記第２閾値電力未満の場合は、前記インバータの出力を一定値に固定し、前記出力電力と前記第２閾値電力の差分を内蔵の電気ヒータで消費するように制御する第４制御モードで制御を行う運転制御装置を備え、前記出力電力が前記第２閾値電力より小さい場合に、前記第３制御モードより前記第４制御モードで制御する方が、同じ電力負荷と熱負荷に対して商用電源と補助熱源を用いた場合と比較したコージェネレーション装置の所定の目的に対する性能を表す目的関数が増大する点にある。

上記コージェネレーション装置の第三の特徴構成によれば、コージェネレーション装置から外部に出力される出力電力（インバータの出力電力からコージェネレーション装置内で消費される電力を差し引いた正味の出力電力）が第２閾値電力以下では、インバータ出力を固定し、出力電力と第２閾値電力の差分を内蔵の電気ヒータで消費する第４制御モードでの制御によって、コージェネレーション装置の目的関数の改善が図れる。

本願の発明者は、発電機ユニットから出力される一定の電力を、インバータを制御して出力電力として出力する場合に、出力電力の低下に追従させてインバータの出力を制御すると、出力電力の低出力領域において、インバータの出力を一定値に固定し、出力電力と第２閾値電力の差分を内蔵の電気ヒータで消費せることで、目的関数を増大可能であることを見出した。この結果、当該出力電力の低出力領域の上限値を第２閾値電力に設定して、出力電力が第２閾値電力未満では、インバータ出力固定の第４制御モードで、出力電力が第２閾値電力以上では、インバータ出力を出力電力に追従させて可変とする第３制御モードで、夫々運転制御することで、全ての出力電力範囲（運転領域）で所定の目的関数を最適化するインバータ制御が可能となる。

従って、本特徴構成のコージェネレーション装置では、電力負荷、或いは、系統連系時においては電力負荷と系統連系状態に応じて出力電力の制御値が別途決定されると、その決定された出力電力に対して目的関数を最適化するインバータ出力での運転が可能となる。

同第四の特徴構成は、上記第一または第二の特徴構成に加えて、前記運転制御装置が、前記出力電力が前記第１閾値電力より小さい所定の第２閾値電力以上で前記第１閾値電力未満の場合は、前記エンジンの回転数を一定値に固定し、前記インバータの出力を前記出力電力に応じて可変にして制御する第５制御モードで制御を行い、前記出力電力が前記第２閾値電力未満の場合は、前記エンジンの回転数を一定値に固定し、且つ、前記インバータの出力を一定値に固定し、前記出力電力と前記第２閾値電力の差分を内蔵の電気ヒータで消費するように制御する第６制御モードで制御を行い、前記出力電力が前記第２閾値電力より小さい場合に、前記第５制御モードより前記第６制御モードで制御する方が、前記目的関数が増大する点にある。

上記コージェネレーション装置の第四の特徴構成によれば、第２制御モードでの制御を、出力電力が第２閾値電力以下では、第６制御モードで制御を行うことで、更に目的関数の最適化がなされる。従って、上記第一または第二の特徴構成の作用効果に加えて、上記第三の特徴構成の作用効果が加わり、全ての出力電力範囲（運転領域）で所定の目的関数を最適化するエンジン回転数及びインバータ出力の制御が可能となる。

同第五の特徴構成は、上記第一、第二または第四の特徴構成に加えて、前記第１閾値電力の設定が、前記排熱回収装置で回収された排熱の利用形態と時間帯の少なくとも何れか一方に応じて変更可能である点にある。

同第六の特徴構成は、上記第三または第四の特徴構成に加えて、前記第２閾値電力の設定が、前記排熱回収装置で回収された排熱の利用形態と時間帯の少なくとも何れか一方に応じて変更可能である点にある。

コージェネレーション装置の目的関数は、同じ電力負荷と熱負荷に対して商用電源と補助熱源を用いた場合と比較したコージェネレーション装置の所定の目的に対する性能を表す指標であるため、例えば、上記目的が省エネルギである場合は、商用電源の使用する発電・送電設備の効率及び補助熱源（例えば、ガスボイラ等）の効率と、コージェネレーション装置の発電効率と排熱回収効率との総合的な比較が目的関数となる。しかし、時間帯によって、商用電源の使用する発電設備が異なると、発電効率が変化し、また、排熱の利用形態によって補助熱源の負荷が変動して効率が変化する。また、上記目的がＣＯ_２排出量削減でも同様である。従って、上記コージェネレーション装置の第五または第六の特徴構成によれば、時間帯或いは排熱の利用形態によって目的関数の定義が異なっても、目的関数の変化に対応した目的関数の最適化が図れる。

同第七の特徴構成は、上記何れかの特徴構成に加えて、前記目的関数が前記コージェネレーション装置の発電効率と排熱回収効率の線形和で表される点にある。ここで、線形和とは、発電効率に所定の係数を乗じ、排熱回収効率に所定の係数を乗じ、両者を足し合わせたものである。

上記コージェネレーション装置の第七の特徴構成によれば、発電効率に乗じる所定の係数と、排熱回収効率に乗じる所定の係数を、夫々適宜選択することで、目的関数の目的として種々のものが選択でき、且つ、時間帯或いは排熱の利用形態によって目的関数の定義が異なる場合にも、当該係数の変更によって対応可能となる。

同第八の特徴構成は、上記何れかの特徴構成に加えて、前記目的関数の前記目的が前記コージェネレーション装置によるエネルギ消費量削減、ＣＯ_２排出量削減、エネルギコスト削減の内の１つである点にある。

上記コージェネレーション装置の第八の特徴構成によれば、エネルギ消費量削減効果、ＣＯ_２排出量削減効果、または、エネルギコスト削減効果を指標として、コージェネレーション装置の運転制御を行うことができ、結果として、全ての運転領域において、エネルギ消費量削減、ＣＯ_２排出量削減、または、エネルギコスト削減を図ることができる。

本発明に係るコージェネレーション装置（以下、適宜「本発明装置」という。）の実施の形態につき、図面に基づいて説明する。

図１に示すように、本発明装置１は、都市ガス（外部から供給される燃料に相当）を燃焼して回転エネルギを発生するガスエンジンやマイクロガスタービン等のエンジン２と、エンジン２の回転エネルギから第１の交流電力を発生する発電機３とからなる発電機ユニット４、発電機３が発生した第１の交流電力を所定の電圧と周波数の第２の交流電力に変換するインバータ５、エンジン２の排出する排熱を回収して熱負荷３２に対して熱エネルギを供給する排熱回収装置６、インバータ５から出力される一部の電力を消費して排熱回収装置６に熱エネルギを供給する電気ヒータ７、インバータ５から外部に出力される正味の出力電力Ｐ１を電力負荷３１と系統電源３０との連系状態等に応じて制御する制御値を決定する出力制御手段８、及び、インバータ５の出力を制御する第１運転制御部９とエンジン２の回転数を制御する第２運転制御部１０と電気ヒータ７の動作を制御する第３運転制御部１１からなる運転制御手段１２を備えて構成される。また、本発明装置１は、一例として、インバータ５の出力が系統電源３０と系統連系して電力負荷３１に対して電力供給する構成となっている。

インバータ３は、発電機３が発生した第１の交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換部と、ＡＣ／ＤＣ変換部で変換された直流電力を系統電源３０と同じ電圧と周波数の第２の交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換部と、ＤＣ／ＡＣ変換部で変換された第２の交流電力と系統電源３０の交流電力とを連系接続する連系継電器等を備えて構成される。インバータ３は公知の回路構成をもって実現されるので詳細な説明は割愛する。

排熱回収装置６は、エンジン２の排出する排熱を熱交換により熱媒体（例えば水）を加熱して回収する熱交換器、貯湯槽、ガスボイラ等の補助熱源機等からなり、家庭内の浴槽、浴室、台所等への給湯、及び、各室の暖房用の循環給湯等の熱負荷３２に対して、温水を媒体として熱エネルギを供給可能に構成されている。

出力制御手段８は、電力負荷３１と系統電源３０との連系状態を、インバータ５内及び外部に設置された電流計及び電圧計（図示せず）の計測値に基づいて判定し、その判定結果に基づいて、或いは、予め設定された運転計画に基づいて、本発明装置１の外部に出力する出力電力Ｐ１の制御値を決定する。例えば、系統電源３０への逆潮流を行わずに、電力負荷３１の変化に追従する場合は、本発明装置１の最大出力までは、電力負荷３１の消費電力と出力電力Ｐ１が一致するように出力電力Ｐ１の制御値が設定される。

運転制御手段１２の各制御部９〜１１は、出力制御手段８が決定した出力電力Ｐ１の制御値に基づいて、後述する運転制御を実行する。以下、運転制御手段１２の各制御部９〜１１の制御動作について、３つの実施形態を説明する。

出力制御手段８及び運転制御手段１２は、夫々の処理をソフトウェア的に実行することで実現され、全体は、例えばマイクロコンピュータ等のストアードプログラム方式のコンピュータシステムを応用して構成される。

〈第１実施形態〉
第１実施形態に係る運転制御は、専ら第１運転制御部９と第２運転制御部１０によって実行される。図２に示すように、出力電力Ｐ１が、予め設定された第１閾値電力Ｐｔ１以上では、第１制御モードによる制御が、第１閾値電力Ｐｔ１未満では、第２制御モードによる制御が実行される。第１制御モードでは、出力電力Ｐ１とエンジン２の最適回転数Ｒｘとの対応関係が予め設定されテーブル化或いは関数化されたものを使用して、第２運転制御部１０が出力電力Ｐ１に対応する最適回転数Ｒｘでエンジン２の回転数Ｒを制御する。また、第２制御モードでは、出力電力Ｐ１と最適回転数Ｒｘとの対応関係において、出力電力Ｐ１が第１閾値電力Ｐｔ１のときの最適回転数Ｒｘ１に固定してエンジン２の回転数Ｒを制御する。第１制御モードと第２制御モードの何れの制御モードにおいても、第１運転制御部９は、出力電力Ｐ１が、出力制御手段８が決定した制御値と一致するようにインバータ５の出力を制御する。ここで、インバータ出力をＰ２とし、インバータ出力Ｐ２の一部であって本発明装置１の内部（例えば、発電機ユニット４の補機や上述の電気ヒータ７等）で消費される内部電力負荷Ｐ３とすると、出力電力Ｐ１は、Ｐ１＝Ｐ２−Ｐ３で与えられる。従って、第１運転制御部９は、内部電力負荷Ｐ３を計測して、その計測値Ｐ３と出力電力Ｐ１の和となるように、インバータ出力Ｐ２を制御する。尚、内部電力負荷Ｐ３が既知の場合は、その既知の値を使用する。

次に、第１制御モードと第２制御モードの境界値である第１閾値電力Ｐｔ１及び出力電力Ｐ１と最適回転数Ｒｘとの対応関係の導出方法について説明する。

本発明装置１または本発明装置１と同じ型式の同一機種を用いて、エンジン２の回転数Ｒを低回転から高回転（例えば、６００ｒｐｍ〜２８００ｒｐｍ）まで段階的に変化させて、複数通りの出力電力Ｐ１毎に、各回転数での本発明装置１の発電効率Ｙｅと排熱回収効率Ｙｈを実験により求める。発電効率Ｙｅは、本発明装置１に対して投入された１次エネルギ（都市ガスの熱量）に対してインバータ５から出力され外部で有効に利用できる出力電力Ｐ１の比率で求められ、上述の如く、内部電力負荷Ｐ３は除外される。また、排熱回収効率Ｙｈは、本発明装置１に対して投入された１次エネルギ（都市ガスの熱量）に対して、エンジン２から排出される排熱の回収熱で、排熱回収装置６での放熱分を差し引いた熱負荷３２で有効に利用できる正味の熱出力の比率で与えられる。

エンジン２の出力は、エンジン２の回転数Ｒとトルクの積で与えられるため、一定のエンジン出力に対して、回転数とトルクの組み合わせが多数存在する。ここで、エンジン２の軸出力の効率だけを見ると、低回転・高トルクで運転した方が効率は良い。また、エンジン回転数Ｒと発電機３の出力電圧Ｖｇの関係は、回転数にほぼ比例して出力電圧Ｖｇが高くなる。例えば、回転数Ｒ＝８００ｒｍｐで１４０Ｖの場合は、回転数Ｒ＝２４００ｒｍｐで４２０Ｖとなる。ところで、インバータ５の変換効率は、発電機３の出力電圧Ｖｇが所定電圧（例えば、３５０Ｖ）以上では、例えば９５％程度の高効率を維持するものの、例えば３００Ｖ以下では、発電機３の出力電圧Ｖｇの低下とともにインバータ５の変換効率が急激に低下し、１４０Ｖ（回転数Ｒ＝８００ｒｍｐ）では、約７０％にまで低下する。エンジン２の軸出力は低回転域で高効率であるが、インバータ５の変換効率は高回転域で高効率となるため、総合的な発電効率Ｙｅは、出力電力Ｐ１に応じて最適な回転数が異なることになる。

また、コージェネレーション装置としての本発明装置１の総合効率（Ｙｅ＋Ｙｈ）は、同じ出力電力Ｐ１におけるエンジン回転数Ｒの変化に対して、発電効率Ｙｅに比べて大きくは変化しない。従って、排熱回収効率Ｙｈは、エンジン回転数Ｒに対して発電効率Ｙｅとは逆の特性を示す。

さて、コージェネレーション装置は投入された１次エネルギ（都市ガスの熱量）に対して電力と熱エネルギの２つのエネルギを発生することから、コージェネレーション装置の性能評価の指標として、数１に示す目的関数Ｉｘを用いて、同じ電力負荷と熱負荷に対して商用電源と補助熱源を用いて電力供給及び熱エネルギ供給を行った場合の性能と比較することができる。ここで、商用電源と補助熱源はコージェネレーション装置を使用しない場合の代替手段であり、仮に従来装置と呼ぶ。本発明装置１では、１次エネルギとして都市ガスを使用し、排熱回収装置６の補助熱源機としてガスボイラを想定しているので、従来装置の補助熱源も同じく都市ガスを燃料とするガスボイラを想定する。

（数１）
Ｉｘ＝（Ｋｅ×Ｙｅ＋Ｋｈ×Ｙｈ）×１００ （％）

数１において、Ｋｅはコージェネレーション装置の発電効率と商用電源の発電効率を比較対照するための係数で、比較する性能に応じて設定が異なる。また、Ｋｈはコージェネレーション装置の排熱回収効率と従来装置の補助熱源（ガスボイラ）の熱効率を比較対照するための係数で、比較する性能に応じて設定が異なる。比較する性能とは、コージェネレーション装置の導入により改善しようとする対象目的の性能であり、例えば、エネルギ消費量削減、ＣＯ_２排出量削減、及び、エネルギコスト削減等が挙げられる。

例えば、エネルギ消費量削減を目的とした場合の性能比較では、数１に示す目的関数Ｉｘの各係数Ｋｅ、Ｋｈは、夫々、火力発電所の効率０．４の逆数と一般的なガスボイラの熱効率０．８８の逆数で与えられる。ここで、従来装置に比べてコージェネレーション装置の方が、電力と熱エネルギを総合して省エネルギである場合には、数１の目的関数Ｉｘが１００（％）を超える。従って、本発明装置１が従来装置と比べて所定の目的において高性能であるためには、Ｉｘ＞１００が条件となる。更に、この目的関数が全ての運転領域で最大値を取り得れば、当該所定の目的（例えば、エネルギ消費量削減）において最適運転がなされることになる。

ここで、エネルギ消費量削減を目的とした場合において、上記要領でエンジン２の回転数Ｒを段階的に変化させて、複数通りの出力電力Ｐ１毎に求められた発電効率Ｙｅと排熱回収効率Ｙｈを、数１の目的関数Ｉｘに代入することで、複数通りの出力電力Ｐ１に対して回転数Ｒをパラメータとする目的関数Ｉｘの特性を導出できる。例えば、図３に示すような特性が得られる。図３では、説明の簡単のために回転数Ｒとして、８００、１２００、１６００、２０００、２４００、２８００（ｒｐｍ）の６通りの場合について示す。

本実施形態では、図３に示すように、出力電力Ｐ１が１５００Ｗ以下では、回転数Ｒが１２００ｒｐｍの場合に目的関数Ｉｘが高くなり、出力電力Ｐ１が１５００Ｗ以上では、出力電力Ｐ１の増大とともに、目的関数Ｉｘが最大となるエンジン２の最適回転数Ｒｘも高くなることが分かる。従って、出力電力Ｐ１に対して回転数Ｒをパラメータとする目的関数Ｉｘの特性より、出力電力Ｐ１に対して目的関数Ｉｘの最大値を与える最適回転数Ｒｘの関係が求まるので、これを予めテーブル化或いは関数化しておき、上述の第１制御モードと第２制御モードにおけるエンジン２の回転数を制御に用いる。また、出力電力Ｐ１と最適回転数Ｒｘの対応関係より、出力電力Ｐ１を減少させても、最適回転数Ｒｘが減少しなくなる境界点の出力電力Ｐ１が、第１閾値電力Ｐｔ１となる。図３に示す例では、第１閾値電力Ｐｔ１は１５００Ｗとなり、第２制御モードにおける固定回転数Ｒｘ１は１２００ｒｐｍとなる。

出力電力Ｐ１の低出力領域において出力電力Ｐ１を減少させても、最適回転数Ｒｘが減少しなくなるのは、上述のように、エンジン回転数Ｒを低下させるとインバータ５の変換効率の低下が顕著になることと、排熱回収効率Ｙｈにおいて、エンジン回転数Ｒに関係なく排熱回収装置６からの一定量の放熱が存在するため、エンジン回転数Ｒを低下させると排熱回収効率Ｙｈも実質的に低下することが原因するものと考えられる。

〈第２実施形態〉
第２実施形態に係る運転制御は、専ら第１運転制御部９と第３運転制御部１１によって実行される。図４に示すように、出力電力Ｐ１が、予め設定された第２閾値電力Ｐｔ２以上では、第３制御モードによる制御が、第２閾値電力Ｐｔ２未満では、第４制御モードによる制御が実行される。第３制御モードでは、第１運転制御部９がインバータ５の出力Ｐ２を出力電力Ｐ１に応じて可変にして制御する。具体的には、第１運転制御部９は、出力電力Ｐ１が、出力制御手段８が決定した制御値と一致し、Ｐ１＝Ｐ２−Ｐ３の関係を維持するようにインバータ出力Ｐ２を制御する。また、第４制御モードでは、第１運転制御部９がインバータ５の出力を一定値Ｐ２ｘに固定し、第３運転制御部１１が、電気ヒータ７を作動させて、出力電力Ｐ１と第２閾値電力Ｐｔ２の差分を消費するように制御する。従って、インバータ出力Ｐ２を一定値Ｐ２ｘに固定した状態で、出力電力Ｐ１が第２閾値電力Ｐｔ２より小さくなってくると、Ｐ１＝Ｐ２ｘ−Ｐ３の関係を維持するためには、内部電力負荷Ｐ３の消費電力を電気ヒータ７の作動によって増加させる必要が生じる。当該増加分は、（Ｐｔ２−Ｐ１）で与えられる。尚、本実施形態では、第２運転制御部１０はエンジン２の回転数Ｒを一定値に固定して制御を行う場合を想定する。

次に、第３制御モードと第４制御モードの境界値である第２閾値電力Ｐｔ２の導出方法について説明する。

本発明装置１または本発明装置１と同じ型式の同一機種を用いて、複数の第２閾値電力Ｐｔ２の候補を選択して、複数通りの出力電力Ｐ１毎に、夫々の第２閾値電力Ｐｔ２に対応した第３制御モードまたは第４制御モードでのインバータ５及び電気ヒータ７の制御を行い、本発明装置１の発電効率Ｙｅと排熱回収効率Ｙｈを実験により求める。発電効率Ｙｅと排熱回収効率Ｙｈの定義は、第１実施形態で説明した通りであり、同じ要領で発電効率Ｙｅと排熱回収効率Ｙｈを測定する。

次に、出力電力Ｐ１及び第２閾値電力Ｐｔ２の各条件で発電効率Ｙｅと排熱回収効率Ｙｈが求まると、第１実施形態と同様に、数１の目的関数に代入することで、複数通りの出力電力Ｐ１に対して第２閾値電力Ｐｔ２をパラメータとする目的関数Ｉｘの特性を導出できる。例えば、図５に示すような特性が得られる。図５では、説明の簡単のために第２閾値電力Ｐｔ２として、２０００Ｗ、１０００Ｗ、０Ｗの３通りの場合について示す。Ｐｔ２＝２０００Ｗの場合は、図５に示す第２閾値電力Ｐｔ２の範囲では、常時インバータ５の出力Ｐ２が、２０００Ｗ＋Ｐ３に固定され、第２閾値電力Ｐｔ２（＝２０００Ｗ）と出力電力Ｐ１の差分が電気ヒータ７で消費される（第４制御モード）。Ｐｔ２＝１０００Ｗの場合は、図５に示す第２閾値電力Ｐｔ２の範囲では、出力電力Ｐ１が１０００Ｗ以上でインバータ出力Ｐ２が、Ｐ１＝Ｐ２−Ｐ３の関係を維持すべく可変となり（第３制御モード）、出力電力Ｐ１が１０００Ｗ未満でインバータ５の出力Ｐ２が、１０００Ｗ＋Ｐ３に固定され、第２閾値電力Ｐｔ２（＝１０００Ｗ）と出力電力Ｐ１の差分が電気ヒータ７で消費される（第４制御モード）。また、Ｐｔ２＝０Ｗの場合は、図５に示す第２閾値電力Ｐｔ２の範囲では、常時インバータ出力Ｐ２が、Ｐ１＝Ｐ２−Ｐ３の関係を維持すべく可変となり、電気ヒータ７は作動しない（第３制御モード）。

本実施形態では、図５に示すように、出力電力Ｐ１が１０００Ｗ未満では、Ｐｔ２＝１０００Ｗ（第４制御モード）とＰｔ２＝０Ｗ（第３制御モード）を比較すると、Ｐｔ２＝１０００Ｗの方が、目的関数Ｉｘが大きいことが分かる。つまり、第２閾値電力Ｐｔ２を１０００Ｗとした場合に、出力電力Ｐ１が第２閾値電力Ｐｔ２より小さい場合に、第３制御モードより第４制御モードで制御する方が、目的関数Ｉｘが増大し、本発明装置１をより高効率、省エネルギで運転できることになる。

更に、図５に示すように、出力電力Ｐ１が１０００Ｗ以上では、Ｐｔ２＝１０００Ｗ（第３制御モード）とＰｔ２＝０Ｗ（第３制御モード）を比較すると、何れも第３制御モードでの制御となり、条件が同じになり目的関数Ｉｘが一致する。これに対し、Ｐｔ２＝２０００Ｗ（第４制御モード）は、Ｐｔ２＝１０００Ｗ（第３制御モード）とＰｔ２＝０Ｗ（第３制御モード）より目的関数Ｉｘが小さいことが分かる。ここで、第４制御モード領域では、出力電力Ｐ１と目的関数Ｉｘは線形な特性となっている。

仮に、第２閾値電力Ｐｔ２の候補として、１０００Ｗ〜２０００Ｗの中間値を選択すると、出力電力Ｐ１が当該中間値以上では、第３制御モードでの制御となり、当該中間値未満では、第４制御モードでの制御となるが、その特性の傾きは、Ｐｔ２＝２０００ＷとＰｔ２＝１０００Ｗと中間的な傾きとなり、出力電力Ｐ１が当該中間値未満の全領域で、必ずしも目的関数Ｉｘが最大とはならない。つまり、Ｐｔ２＝０Ｗ（第３制御モード）より目的関数Ｉｘが小さい領域が存在する。更に、第２閾値電力Ｐｔ２の候補として、０Ｗ〜１０００Ｗの中間値を選択すると、明らかに出力電力Ｐ１が１０００Ｗ未満の領域で、目的関数Ｉｘがより大きな第２閾値電力Ｐｔ２が存在する。従って、本実施形態では、図５に示すように、第２閾値電力Ｐｔ２は１０００Ｗに設定し、出力電力Ｐ１が１０００Ｗ以上で第３制御モードでの制御、出力電力Ｐ１が１０００Ｗ未満で第４制御モードでの制御を夫々実行すると、出力電力Ｐ１の全領域で目的関数Ｉｘを最適化可能な運転が可能となる。

以上を纏めると、第２閾値電力Ｐｔ２の設定は、複数の第２閾値電力Ｐｔ２の候補を選択して、複数通りの出力電力Ｐ１毎に、夫々の第２閾値電力Ｐｔ２に対応した第３制御モードまたは第４制御モードでのインバータ５及び電気ヒータ７の制御を行い、本発明装置１の発電効率Ｙｅと排熱回収効率Ｙｈを実験により求める。そして、発電効率Ｙｅと排熱回収効率Ｙｈを数１に代入して目的関数Ｉｘを求め、複数通りの出力電力Ｐ１に対して第２閾値電力Ｐｔ２をパラメータとする目的関数Ｉｘの特性を導出する。そして、得られた目的関数Ｉｘの特性から、出力電力Ｐ１が第２閾値電力Ｐｔ２より小さい場合に、第３制御モードより第４制御モードで制御する方が、目的関数Ｉｘが増大する第２閾値電力Ｐｔ２の最大値を抽出する。

出力電力Ｐ１の低出力領域では、発電効率Ｙｅが極端に低下するが、発電機３の出力が一定の場合に、第３制御モードから第４制御モードに制御を切り替えると、インバータ５の出力増加に伴い発電機３の出力負荷が増大して、エンジン２の排熱回収による排熱回収効率Ｙｈは減少するが、電気ヒータ７の加熱による排熱回収効率Ｙｈがそれを上回って増加するため、目的関数Ｉｘが増大する。従って、出力電力Ｐ１の低出力領域において、インバータ５の出力を一定値Ｐ２ｘに固定し、電気ヒータ７を作動させて、出力電力Ｐ１と第２閾値電力Ｐｔ２の差分を消費するように制御することで目的関数Ｉｘが改善される。

〈第３実施形態〉
第３実施形態に係る運転制御は、第１運転制御部９と第２運転制御部１０と第３運転制御部１１によって実行される。図６に示すように、出力電力Ｐ１が、予め設定された第１閾値電力Ｐｔ１以上では、第１制御モードによる制御が、第１閾値電力Ｐｔ１未満で予め設定された第２閾値電力Ｐｔ２以上では、第５制御モードによる制御が、第２閾値電力Ｐｔ２未満では、第６制御モードによる制御が実行される。第１制御モードでは、出力電力Ｐ１とエンジン２の最適回転数Ｒｘとの対応関係が予め設定されテーブル化或いは関数化されたものを使用して、第２運転制御部１０が出力電力Ｐ１に対応する最適回転数Ｒｘでエンジン２の回転数Ｒを制御する。第５及び第６制御モードでは、第２運転制御部１０が出力電力Ｐ１と最適回転数Ｒｘとの対応関係において、出力電力Ｐ１が第１閾値電力Ｐｔ１のときの最適回転数Ｒｘ１に固定してエンジン２の回転数Ｒを制御する。第１及び第５制御モードでは、第１運転制御部９は、出力制御手段８が決定した制御値と一致し、Ｐ１＝Ｐ２−Ｐ３の関係を維持するようにインバータ出力Ｐ２を制御する。第６制御モードでは、第１運転制御部９がインバータ５の出力を一定値Ｐ２ｘに固定し、第３運転制御部１１が、電気ヒータ７を作動させて、出力電力Ｐ１と第２閾値電力Ｐｔ２の差分を消費するように制御する。従って、インバータ出力Ｐ２を一定値Ｐ２ｘに固定した状態で、出力電力Ｐ１が第２閾値電力Ｐｔ２より小さくなってくると、Ｐ１＝Ｐ２ｘ−Ｐ３の関係を維持するためには、内部電力負荷Ｐ３の消費電力を電気ヒータ７の作動によって増加させる必要が生じる。当該増加分は、（Ｐｔ２−Ｐ１）で与えられる。

第３実施形態では、第１実施形態における第２制御モードを第２実施形態における第３制御モードと第４制御モードによって分割して、夫々第５制御モードと第６制御モードとしている。従って、第５制御モードによる制御は、第２及び第３制御モードの制御を同時に実行することになり、第６制御モードによる制御は、第２及び第４制御モードの制御を同時に実行することになる。従って、本実施形態では、上記第１実施形態と第２実施形態の特徴を兼ね備えることになり、出力電力Ｐ１の全領域で、目的関数Ｉｘの最適化がより一層図れることになる。

第１制御モードと第５制御モードの境界値である第１閾値電力Ｐｔ１、第５制御モードと第６制御モードの境界値である第２閾値電力Ｐｔ２、及び、出力電力Ｐ１と最適回転数Ｒｘとの対応関係の導出方法は、夫々第１実施形態及び第２実施形態で説明したものと同じであり、重複する説明は割愛する。

以下に、別の実施形態につき説明する。

〈１〉上記第１または第３実施形態では、運転制御手段１２が運転制御モードの判定に使用する第１閾値電力Ｐｔ１は、数１に示す目的関数Ｉｘに基づいて設定された１つの値を使用する場合を説明した。しかし、目的関数Ｉｘの各係数Ｋｅ、Ｋｈは、エネルギ消費量削減を目的とした場合の性能比較では、夫々、火力発電所の効率０．４の逆数と一般的なガスボイラの熱効率０．８８の逆数で与えられる。従って、時間帯によって商用電源の発電設備が変わる場合には、例えば、夏期の昼間の電力ピーク時間帯には、老朽火力発電所も稼働状態となるため、効率が０．４から０．３５程度に低下するので、係数Ｋｅが大きくなり目的関数Ｉｘの計算結果が変わる。この結果、時間帯に適合した第１閾値電力Ｐｔ１を予め導出しておき、運転制御手段１２が時間帯を識別して、適切な第１閾値電力Ｐｔ１を選択して使用するのも好ましい実施の形態である。更に、出力電力Ｐ１と最適回転数Ｒｘとの対応関係についても、時間帯に適合した対応関係を予め導出しておき、運転制御手段１２が時間帯を識別して、適切な第１閾値電力Ｐｔ１と対応関係を選択して使用する。

また、ガスボイラの熱効率は、給湯需要と暖房需要で異なる。つまり、給湯需要では、例えば加熱温度範囲が水温から４２℃前後であり、暖房需要では、例えば加熱温度範囲が６０℃から８０℃であるので、給湯需要に対する効率が０．８８に対して、暖房需要に対する効率は０．８に下がるので、排熱回収装置６で回収された排熱の利用形態（給湯、暖房の割合）によって係数Ｋｈが変化し目的関数Ｉｘの計算結果が変わる。また、暖房需要に対する効率は、使用する機器の暖房効率が暖房熱負荷量によって変化する場合がある。例えば、定格運転（出力５ｋＷ）では、効率が０．８であるところ、部分負荷運転（出力２ｋＷ）では、効率が０．７５に低下する場合等において、係数Ｋｈが変化し目的関数Ｉｘの計算結果が変わる。この結果、排熱回収装置６で回収された排熱の種々の利用形態（給湯・暖房の割合、暖房負荷状態）に適合した第１閾値電力Ｐｔ１を、予め複数通り導出しておき、運転制御手段１２が当該利用形態を識別して、適切な第１閾値電力Ｐｔ１を選択して使用するのも好ましい実施の形態である。更に、出力電力Ｐ１と最適回転数Ｒｘとの対応関係についても、当該利用形態に適合した対応関係を予め導出しておき、運転制御手段１２が当該利用形態を識別して、適切な第１閾値電力Ｐｔ１と対応関係を選択して使用する。

〈２〉上記第２または第３実施形態では、運転制御手段１２が運転制御モードの判定に使用する第２閾値電力Ｐｔ２は、数１に示す目的関数Ｉｘに基づいて設定された１つの値を使用する場合を説明した。この場合も、上記別実施形態〈１〉と同様に、時間帯に適合した第２閾値電力Ｐｔ２を予め導出しておき、運転制御手段１２が時間帯を識別して、適切な第２閾値電力Ｐｔ２を選択して使用するのも好ましい実施の形態である。

更に、排熱回収装置６で回収された排熱の種々の利用形態（給湯・暖房の割合、暖房負荷状態）に適合した第２閾値電力Ｐｔ２を、予め複数通り導出しておき、運転制御手段１２が当該利用形態を識別して、適切な第２閾値電力Ｐｔ２を選択して使用するのも好ましい実施の形態である。

〈３〉上記第各実施形態において、エネルギ消費量削減を目的とした場合の目的関数Ｉｘを用いた場合を説明したが、目的関数Ｉｘの目的、つまり、性能比較の対象は、エネルギ消費量削減（省エネルギ）の他に、ＣＯ_２排出量削減やエネルギコスト削減であっても構わない。この場合、目的関数Ｉｘの各係数Ｋｅ、Ｋｈが目的の違いに応じて変化する。

例えば、ＣＯ_２排出量削減が目的の場合には、同じ出力電力に対して、コージェネレーション装置と商用電源で効率が異なり、更に、単位１次エネルギ量に対するＣＯ_２排出量が異なるため、火力発電所の効率０．４の逆数で与えられる係数Ｋｅをコージェネレーション装置と商用電源間の上記ＣＯ_２排出量の比で補正することで、ＣＯ_２排出量削減を目的とする目的関数Ｉｘが得られる。尚、従来装置の補助熱源がガスボイラの場合は、１次エネルギが同じ都市ガスであるので、係数Ｋｈに対する補正は必要ない。

また、エネルギコスト削減が目的の場合には、同じ出力電力に対して、電力単価と、当該出力電力を発生するのに使用した都市ガスのガス料金の間に差があるので、係数Ｋｅは、火力発電所の効率の逆数に代えて、出力電力の単位電力量１ｋＷｈ当りの電力単価を同単位電力量１ｋＷｈ当りの都市ガス単価で除したものを使用する。尚、従来装置の補助熱源がガスボイラの場合は、１次エネルギが同じ都市ガスであるので、係数Ｋｈはそのまま変更せずにガスボイラの熱効率の逆数を使用する。

ここで、ＣＯ_２排出量削減やエネルギコスト削減が目的の場合についても、係数Ｋｅが時間帯によって異なり、係数Ｋｈが排熱回収装置６で回収された排熱の種々の利用形態（給湯、暖房の割合）によって異なるので、上記別実施形態〈１〉及び〈２〉と同様に、時間帯或いは当該利用形態に適合した第１閾値電力Ｐｔ１、第２閾値電力Ｐｔ２、出力電力Ｐ１と最適回転数Ｒｘとの対応関係を予め導出しておき、運転制御手段１２が時間帯を識別して、適切な第１閾値電力Ｐｔ１、第２閾値電力Ｐｔ２、出力電力Ｐ１と最適回転数Ｒｘとの対応関係を選択して使用するのが好ましい。

〈４〉上記実施形態において、本発明装置１は、エンジン２と発電機３とからなる発電機ユニット４を備えたガスエンジン式のコージェネレーション装置を例に目的関数Ｉｘを最適化可能な運転制御方法を説明したが、上記第２実施形態で説明した制御は、ガスエンジン式のコージェネレーション装置以外に、例えば、燃料電池式のコージェネレーション装置にも適用可能である。

〈５〉上記実施形態において、電気ヒータ７は、インバータ５の交流出力Ｐ２で電力供給される場合を説明したが、電気ヒータ７は、インバータ５の内部電力、例えば、ＡＣ／ＤＣ変換部で変換された直流電力の一部を用いて電力供給する構成であっても構わない。

〈６〉上記実施形態において、出力電力Ｐ１、エンジン回転数Ｒ、最適回転数Ｒｘ、第１閾値電力Ｐｔ１、第２閾値電力Ｐｔ２、目的関数Ｉｘ、各係数Ｋｅ、Ｋｈ等の値は、一例を参考に示したものであり、上記実施形態の値に限定されるものではない。

また、目的関数Ｉｘとして、数１に示すコージェネレーション装置の発電効率Ｙｅと排熱回収効率Ｙｈの線形和で表される場合を示したが、数１に示すＩｘの逆数を目的関数として用いても構わない。この場合、目的関数を最小化することで、所定の目的に対して最適化がなされる。

本発明に係るコージェネレーション装置の一実施形態を示すブロック構成図 本発明に係るコージェネレーション装置の第１実施形態に係る運転制御を模式的に示す図 回転数Ｒをパラメータとする出力電力Ｐ１と目的関数Ｉｘの関係を示す特性図 本発明に係るコージェネレーション装置の第２実施形態に係る運転制御を模式的に示す図 第２閾値電力Ｐｔ２をパラメータとする出力電力Ｐ１と目的関数Ｉｘの関係を示す特性図 本発明に係るコージェネレーション装置の第３実施形態に係る運転制御を模式的に示す図

符号の説明

１： 本発明に係るコージェネレーション装置
２： エンジン
３： 発電機
４： 発電機ユニット
５： インバータ
６： 排熱回収装置
７： 電気ヒータ
８： 出力制御手段
９： 第１運転制御部
１０： 第２運転制御部
１１： 第３運転制御部
１２： 運転制御手段
３０： 系統電源
３１： 電力負荷
３２： 熱負荷
Ｉｘ： 目的関数
Ｐ１： 出力電力
Ｐ２： インバータ出力
Ｐ３： 内部電力負荷
Ｐｔ１： 第１閾値電力
Ｐｔ２： 第２閾値電力
Ｒ： エンジン回転数
Ｒｘ： 最適回転数

Claims (8)

1. 外部から供給される燃料を使用して回転エネルギを発生するエンジンと、前記エンジンの回転エネルギから第１の交流電力を発生する発電機と、前記第１の交流電力を所定の電圧と周波数の第２の交流電力に変換するインバータと、前記エンジンの排出する排熱を回収する排熱回収装置とを備えてなるコージェネレーション装置であって、
   前記インバータから外部に出力される出力電力が予め設定された第１閾値電力以上の場合は、前記エンジンの回転数を前記出力電力に応じて制御する第１制御モードで制御を行い、前記出力電力が前記第１閾値電力未満の場合は、前記エンジンの回転数を一定値に固定し、前記インバータの出力を可変にして制御する第２制御モードで制御を行う運転制御装置を備え、
   前記出力電力が前記第１閾値電力未満では、同じ電力負荷と熱負荷に対して商用電源と補助熱源を用いた場合と比較したコージェネレーション装置の所定の目的に対する性能を表す目的関数が、前記エンジンの回転数を仮に前記出力電力に応じて可変に制御した場合と比較して増大することを特徴とするコージェネレーション装置。
2. 前記運転制御装置は、前記エンジンの回転数を前記第１制御モードで制御する場合、前記出力電力に応じて予め設定された回転数に制御し、
   前記予め設定された回転数は、前記出力電力を出力可能な複数の回転数候補の中から前記目的関数が最大となる回転数を選択して決定されることを特徴とする請求項１に記載のコージェネレーション装置。
3. 外部から供給される燃料を使用して第１の電力を発生する発電機ユニットと、前記第１の電力を所定の電圧と周波数の第２の交流電力に変換するインバータと、前記発電機ユニットの排出する排熱を回収する排熱回収装置とを備えてなるコージェネレーション装置であって、
   前記インバータから外部に出力される出力電力が予め設定された第２閾値電力以上の場合は、前記インバータの出力を前記出力電力に応じて可変にして制御する第３制御モードで制御を行い、前記出力電力が前記第２閾値電力未満の場合は、前記インバータの出力を一定値に固定し、前記出力電力と前記第２閾値電力の差分を内蔵の電気ヒータで消費するように制御する第４制御モードで制御を行う運転制御装置を備え、
   前記出力電力が前記第２閾値電力より小さい場合に、前記第３制御モードより前記第４制御モードで制御する方が、同じ電力負荷と熱負荷に対して商用電源と補助熱源を用いた場合と比較したコージェネレーション装置の所定の目的に対する性能を表す目的関数が増大することを特徴とするコージェネレーション装置。
4. 前記運転制御装置が、前記出力電力が前記第１閾値電力より小さい所定の第２閾値電力以上で前記第１閾値電力未満の場合は、前記エンジンの回転数を一定値に固定し、前記インバータの出力を前記出力電力に応じて可変にして制御する第５制御モードで制御を行い、前記第２閾値電力未満では、前記エンジンの回転数を一定値に固定し、且つ、前記インバータの出力を一定値に固定し、前記出力電力と前記第２閾値電力の差分を内蔵の電気ヒータで消費するように制御する第６制御モードで制御を行い、
   前記出力電力が前記第２閾値電力より小さい場合に、前記第５制御モードより前記第６制御モードで制御する方が、前記目的関数が増大することを特徴とする請求項１または２に記載のコージェネレーション装置。
5. 前記第１閾値電力の設定が、前記排熱回収装置で回収された排熱の利用形態と時間帯の少なくとも何れか一方に応じて変更可能であることを特徴とする請求項１、２または４に記載のコージェネレーション装置。
6. 前記第２閾値電力の設定が、前記排熱回収装置で回収された排熱の利用形態と時間帯の少なくとも何れか一方に応じて変更可能であることを特徴とする請求項３または４に記載のコージェネレーション装置。
7. 前記目的関数が前記コージェネレーション装置の発電効率と排熱回収効率の線形和で表されることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のコージェネレーション装置。
8. 前記目的関数の前記目的が前記コージェネレーション装置によるエネルギ消費量削減、ＣＯ_２排出量削減、エネルギコスト削減の内の１つであることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載のコージェネレーション装置。

Images