JP4592025B2 - コジェネレーション装置 - Google Patents

Description

本発明は、都市ガスを燃料とするガスエンジン等のエンジンを動力源として発電および給湯を行うコジェネレーション装置に関し、特に、発電出力を連系させた商用電力系統の停電時等、非常時に自立運転を行うことができるコジェネレーション装置に関する。

近年、地球環境保護の必要性が喧伝され、都市ガス等を燃料とするガスエンジン等のエンジンを動力源として発電および給湯等を行う自家発電設備としてのコジェネレーション装置が注目されている。この種のコジェネレーション装置では、発電に伴う熱出力を同時に消費できない場合も多いため、エネルギを無駄なく使用する観点で、消費できない熱量を発生させないようにした熱需要優先型の装置が提案されている。例えば、特開２０００−８７８０１号公報に記載されているコジェネレーション装置では、その発電出力を商用電力系統に連系させておき、熱負荷のないときにはこの系統から電力供給を受け、熱要求があったときにだけ運転することによって運転効率を上げるようにしている。また、特開２０００−２９７９６３号公報には、熱需要優先型でありながら、さらに熱出力および熱需要の緩衝器としての給湯タンクを備え、熱出力と熱需要とが一致していないときに、給湯タンク内の温水として熱量を一旦蓄えるようにした装置が提案されている。この装置によれば、コジェネレーション装置の運転時以外でも熱需要に応じて温水を通じて熱量を利用できるようにして熱エネルギの無駄を生じないようにすることができる。
特開２０００−８７８０１号公報 特開２０００−２９７９６３号公報

上述の特許文献に記載された従来のコジェネレーション装置は、家庭用として小型のものが近年使用されるようになってきた。そして、系統連系との兼ね合いから、系統の停電時にはコジェネレーション装置が単独で運転されないように、つまり自立運転させないように、運転を停止するのが一般的である。しかし、これでは、せっかく所有している発電設備としてのコジェネレーション装置を、停電という非常時に使用できない不便さが生じる。そこで、本発明者等は、停電時には系統に対する連系を解列してコジェネレーション装置を自立運転することも検討している。しかし、上述のように、家庭用等の小型コジェネレーション装置は系統との連系を前提として発電電力を余らせないように出力仕様が決定されているので、自立運転では家庭内負荷に対して出力不足となることが予想される。

本発明は、停電などの非常時に家庭内負荷に対して大きい発電エネルギを供給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。

本発明は、エンジンと、エンジンで駆動される発電機と、この発電機の発電出力を系統に連系させる系統連系制御部と、前記エンジンの排熱を回収する排熱回収部とを有するコジェネレーション装置において、前記系統から独立して運転する自立運転モードでは、前記エンジンの回転数の上限を系統連系時より上方に移動して前記発電機の最大出力点を高くして運転できるように構成した点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記系統の停電時に、前記自立運転モードに切り替えるとともに、前記系統連系を解列する点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記系統の停電発生時に前記エンジンが運転停止中である場合は、前記エンジンを始動させる点に第３の特徴がある。

上記特徴を有する本発明によれば、例えば、停電などで系統から解列して自立運転モードでコジェネレーション装置を運転する場合は、系統連系時よりもエンジンの回転数を高くして運転することを可能にしているので、家庭用の小型コジェネレーション装置においても、そのコジェネレーション装置の能力を一杯に引き出して高出力を得ることができる。したがって、系統側からの電力が一時的に供給されなくなっても、負荷分担の増加に対応することが可能であるし、停電から復帰後は、寿命や経済性を優先させた比較的低回転数／低負荷で行われる系統連系運転に戻ることができる。

また、エンジンが運転停止中の場合、系統停電発生時に直ちに自立運転モードでコジェネレーション装置の運転を開始することができるので、非常時に極めて有効にライフラインを確保することができる。

本発明の一実施形態に係るコジェネレーション装置の要部機能を示すブロック図である。 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。 自立運転モードと系統連系時との最大出力点の上限を示す図である。 本発明の一実施形態に係るコジェネレーション装置の電気出力取り出し部の単線結線図である。 コジェネレーション装置の外観斜視図である。 本発明の一実施形態に係るコジェネレーション装置に備える操作盤の拡大図である。

符号の説明

Ｅ…エンジン、 １…発電機、 ３…逆変換部、 ６…モードスイッチ、 ７…系統スイッチ、 ８…ＡＴＳ、 ９…系統、 １３…水冷装置、 １５…貯湯タンク、 １６…電子ガバナ、 １９…運転モード判別部、 ２０…操作スイッチ

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２はエンジン発電機を商用電力系統に連系させた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。同図において、発電機１は、例えば、エンジンＥによってロータが駆動される３相の多極磁石式エンジン発電機であり、エンジン回転数に応じた交流電力を発生する。発電機１は、エンジン始動用電動機として動作することもできる電動機兼用発電機である。エンジンＥは、例えば、都市ガスを燃料とするガスエンジンであり、回転数を目標回転数に収斂させる電子ガバナを備える。

整流回路２は、ブリッジ接続された整流素子（図示せず）を有し、発電機１の出力を全波整流する。整流素子には、ＦＥＴなどのスイッチング素子（図示せず）が並列接続されている。これらのスイッチング素子は、エンジンＥを始動する際には、発電機１を電動機として駆動するように制御される。整流回路２のスイッチング素子のオン、オフにより、バッテリ５から双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４を介して印加される直流電圧を３相のＡＣ電圧に変換して発電機１に供給することができる。つまり、整流回路２は、電動機の駆動用インバータとしての機能を有する。

逆変換部３は、ＤＣレギュレータ（スイッチング・コンバータ）３−１とインバータ３−２とを有し、整流回路２の出力を所定周波数の交流電力に変換して出力する。このスイッチング・コンバータ３−１は、発電機１やバッテリ５の出力変動がインバータ３−２の入力電圧に影響を及ばないようにする機能を有する。インバータ３−２は、発電機１の出力交流を系統９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、系統９の位相と同期をとって連系させる機能を有する。系統連系機能を有する電力変換装置の一例は特公平４−１０３０２号公報に開示されている。

インバータ３−２の出力は、連系運転および自立運転の一方から他方への切り替えを行う切り替えスイッチ６，７からなる切替装置（ＡＴＳ）８を介して商用電力系統９に連系されるとともに、電気負荷１０に接続される。

切り替えスイッチ７は、発電機１を系統に連系させる場合は、ライン１１側に切り替えられ、発電機１を系統から独立して自立運転モードで運転する場合は、ライン１２側に切り替えられる。また、切り替えスイッチ６は、発電機１を系統９と連系して運転する場合、ライン１１側に切り替えられ、発電機１が系統９から独立した自立運転モードで運転される場合、ライン１２側に切り替えられる。

バッテリ５は、発電機１の電力による直流電源に対して必要に応じて補助電力を供給する外部直流電源である。バッテリ５の電圧を昇圧して逆変換部３に供給するための手段として、整流回路２の出力側つまり逆変換部３の入力側に昇圧型の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４が接続される。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４は、発電機出力が十分であり、かつバッテリ５の残量が少ないときに、整流回路２の出力でバッテリ５を充電する機能を有する。以下では、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４のバッテリ５側を一次側、整流回路２側を二次側と呼ぶことがある。バッテリ５は、例えば、エンジン始動用電動機の電源として一般的に使用されている１２Ｖのバッテリである。

エンジンＥには、エンジンＥの排熱を回収する排熱回収部としての水冷装置（ラジエータ）１３が設けられ、この水冷装置１３を循環する冷却水の管路１４は貯湯タンク１５内を経由するように配管される。エンジンＥはその運転に伴って熱を発生し、この熱はエンジンＥの水冷装置１３で熱交換により回収されて貯湯タンク１５に供給される。エンジンＥからの熱回収はエンジンＥ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。

上記コジェネレーション装置の動作を説明する。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４は、一次側と二次側とが完全同期するように同一の駆動信号で駆動する。この駆動形態により双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４は、双方向で電力変換を行う。

エンジンの始動時、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４のトランスの巻線比による一次側と二次側との相対電圧差に基づいて、バッテリ５のＤＣ電圧が双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４で昇圧され、昇圧されたＤＣ電圧が駆動用インバータ（整流回路）２に与えられる。駆動用インバータ２は、図示しない制御部からの始動指令によってスイッチング駆動され、このＤＣ電圧を３相のＡＣ電圧に変換して発電機１に与え、発電機１をエンジン始動用電動機として起動する。

エンジンＥが始動されると、発電機１はエンジンにより駆動され、駆動用インバータ２のスイッチング動作は停止される。発電機１の出力は、整流回路（駆動用インバータ）２で整流され、逆変換部３のスイッチング・コンバータ３−１で電圧調整され、さらにインバータ３−２で所定周波数の交流電力に変換されて出力される。

バッテリ５の残量が少なければ、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４を通して整流回路２の出力によりバッテリ５は充電される。すなわち、バッテリ５の変換出力が整流回路２の出力電圧より低ければ、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４のトランスの巻線比による一次側と二次側の相対電圧差に基づいて、バッテリ５が整流回路２の出力で充電されるように電力変換が行われる。

このコジェネレーション装置を、自立運転モードで非常用電源として運転することができる。自立運転モードの運転では、系統から電力供給を受けることができない。そこで、負荷に対してできるだけ出力不足を生じさせないように、自立運転モードで運転する場合には、エンジンＥの回転数の上限を系統９との連系時より上方へ移動可能にして、発電機１の最大出力点を高くして運転できるようにしている。

図１は、本発明に係るコジェネレーション装置の一実施形態に係る機能の要部を示すブロック図である。同図において、電子ガバナ１６は、発電機１の回転数つまりエンジンＥの回転数Ｎを目標回転数Ｎｔｇｔに収斂させるようにスロットル開度を制御する。電子ガバナ１６はスロットルバルブ１８を駆動するステッピングモータ１７に回転数Ｎと目標回転数Ｎｔｇｔとの差に対応するパルスを供給する。目標回転数Ｎｔｇｔは、例えば、系統９との連系時は２０００ｒｐｍに制限する。そして、電気負荷１０に供給される電流が増大したときには、インバータ３−２の出力を調整して負荷に対応する。負荷がさらに増大したときには系統９によって不足分の電力が補われる。

これに対して、自立運転モードでは、系統９から電力供給を受けることができないので、インバータ３−２の出力調整のみでは、大きい電気負荷に対応できないことが想定される。そこで、目標回転数Ｎｔｇｔの上限値を上方へ移動して系統連系時よりも高い値に設定する。そして、電気負荷が増大して系統連系時の設定上限回転数２０００ｒｐｍで出力が不足するときには、負荷に応じて目標回転数Ｎｔｇｔを上昇させる。例えば、回転目標値Ｎｔｇｔを３０００ｒｐｍまで上昇させることができるように上限値を設定する。なお、例えば、インバータ３−２を構成するスイッチング素子のデューティ比が所定値より大きくなったことによってインバータ３−２の制御が負荷に対応できなくなるおそれがあると判断することができる。

運転モード判別部１９は、発電機１に設けられる操作スイッチ２０から入力された選択信号によって運転モードを判別する。そして、自立運転モードが選択されたと判断した場合には、回転目標値Ｎｔｇｔの上限値を自立運転モード用に切り替える。

また、運転モード判別部１９は、系統９との連系時には、切り替えスイッチ６，７をともにライン１１側に切り替え、自立運転モード時には切り替えスイッチ６，７をともにライン１２側に切り替える。切り替えスイッチ６，７を切り替えて系統９から発電機１を解列する。

このように構成することにより、例えば、エンジン起動スイッチを設けて、このスイッチからエンジンＥの始動が指示されれば、エンジンＥは発電機１の最大出力点を高くした設定で運転することができる。

操作スイッチ２０を設けて、自立運転モードと連系運転とを選択できるようにするのに限らず、外部からのリモコン信号で自立運転モードと連系運転とを選択できるようにしてもよい。また、停電検出器２１を設けて、系統９の停電を検出した場合に、エンジンＥが停止していれば自動的にエンジンＥを始動させて自立運転モードでの運転を可能にすることもできる。

停電検出器２１は、周知のものを使用することができる。例えば、停電は系統９の位相の跳躍の有無によって判断できる。また、発電機１の出力電圧と出力周波数とを監視し、これらが所定値から外れているような異常時も停電時と同様に自立運転モードによる運転に切り替えてもよい。停電検出や異常検出、ならびに商用電力系統から解列に関しては、例えば、特開２００２−７０６０６号公報に記載した技術を使用することができる。

図３は、自立運転モード時と連系時とのエンジン回転数可変域の例を示す図である。同図に示すように、連系時には、目標回転数Ｎｔｇｔの上限を２０００ｒｐｍに固定し、自立運転モードでは、目標回転数Ｎｔｇｔの上限値を３０００ｒｐｍまで変更できるようにする。したがって、自立運転モードでは目標回転数Ｎｔｇｔは電気負荷に応じて３０００ｒｐｍまで連続して変化させることができる。図示のように、連系時には、エンジン回転数Ｎの上限が固定されるので、出力の上限は１．２ＫＶＡに制限され、自立運転モードではエンジン回転数Ｎの目標回転数Ｎｔｇｔの上昇につれてエンジン回転数Ｎは上昇可能であり、最大出力として２．０ＫＶＡまで使用可能である。

図４は、自立運転時には自立出力端子のみを介して負荷へ電力供給することができるように図２のＡＴＳ８を変形した例に係るコジェネレーション装置と系統および電気負荷との単線結線図である。同図において、連系スイッチ２５および自立スイッチ２６は前記切り替えスイッチ６（図２）に対応する。コジェネレーション装置１００のＡＴＳ８０は、第１の出力端子としての連系出力端子２２と第２の出力端子としての自立出力端子２３とを備える。自立出力端子２３は、コジェネレーション装置１００のフレームに設けるコンセントとすることができる。連系出力端子２２は、電磁接点で構成される自立インタロックスイッチ２４およびこのスイッチ２４に直列接続された連系スイッチ２５を介してインバータ３−２に接続される。自立出力端子２３は電磁接点で構成される自立スイッチ２６を介してインバータ３−２に接続される。

配電盤２７は、メインブレーカ２８、コジェネレーション装置専用のブレーカ２９、および負荷専用のスイッチ３０を有する。コジェネレーション装置１００の連系出力端子２２は、コジェネレーション装置専用のブレーカ２９および負荷用スイッチ３０を介して電気負荷１０と接続されているとともに、コジェネレーション装置専用のブレーカ２９およびメインブレーカ２８を介して系統９に接続される。また、系統９は、メインブレーカ２８と負荷用スイッチ３０とを介して電気負荷１０と接続される。

配電盤２７のメインブレーカ２８およびコジェネレーション装置１００専用のブレーカ２９は過電流を検出して系統９からコジェネレーション装置１００を切り離すスイッチ手段である。

ＡＴＳ８０では、系統連系時、連系スイッチ２５がオンに切り替えられ、自立スイッチ２６はオフに切り替えられている。したがって、系統連系時において発電機１の出力電力は連系スイッチ２５並びに配電盤２７のブレーカ２９および負荷用スイッチ３０を介して電気負荷１０に供給されるとともに、系統９からの電力は、メインブレーカ２８および負荷用スイッチ３０を介して電気負荷１０に供給される。

自立運転モードでコジェネレーション装置１００を運転するときは、自立スイッチ２６がオンに切り替えられ、連系スイッチ２５がオフに切り替えられる。したがって、自立運転モードでは、自立スイッチ２６を介して自立出力端子２３に発電機１による電圧が出力される。この自立運転モードでは、自立出力端子２３に電気負荷１０をつなぎ替えたり、電気負荷１０とは別の電気負荷を自立出力端子２３に接続したりして発電機１の発電出力を利用できる。

図５は、コジェネレーション装置の外観斜視図であり、図６は、コジェネレーション装置に設けられる操作盤の拡大図である。図５において、コジェネレーション装置１００のケーシング１００Ａは、略直方体であり、内部には、図２に記載された構成要素のうち、配電盤２７と、ＡＴＳ８から配電盤２７までの配線と、配電盤２７から電気負荷１０および系統９までの配線などを除くコジェネレーション装置１００の本体を収容する。ケーシング１００Ａの正面上部には操作盤３１が設けられる。コジェネレーション装置１００の正面下部は上部の面３２から奥に後退した面３３を有していて、面３２と面３３との間は傾斜面３４になっていて、この傾斜面３４に、コンセントつまり自立出力端子２３が露出して設けられている。自立出力端子２３は傾斜面３４に下向きに露出しているので、ごみや水滴などがこの自立出力端子２３に付着しにくい構造である。電気負荷に接続されるプラグ３５は上向きで自立出力端子２３に差し込まれる。

コンセントつまり自立出力端子２３は、屋外での使用を考慮して防滴カバーを有するものとしてもよいし、コジェネレーション装置１００の正面は、必ずしも図５のような段付きの面にすることはなく、平面的に形成してあってもよい。

図６において、操作盤３１には運転モードを選択するための操作スイッチ２０が設けられる。操作スイッチ２０は、オフ位置（ＯＦＦ）、自立運転モード位置（自立）、および系統連系位置（連系）を有するロータリスイッチで構成される。操作スイッチ２０が自立運転モード位置にあるときは、系統連系状態で運転しつつ、停電時などには停電検出等に応じて自動的に自立運転モードに切り替えを行うことが可能である。また、操作スイッチ２０が系統連系位置にあるときは、系統連系状態での運転のみが可能であって、停電時等には運転は停止される。操作盤３１には、選択スイッチ２０Ａの他に、表示画面３６、ガス系列設定スイッチ３７、ＬＥＤ表示灯３８、故障リセットスイッチ３９、運転条件設定スイッチ４０，４１、およびＵＳＢ端子４２等が設けられる。

このように、エンジン回転数の上限を高くして系統連系時よりも最大出力点を高くできるのは次のような技術背景がある。つまり、コジェネレーション装置では、例えば１０年以上という長期に亘って安定した運転を継続可能であること、および運転経済性を重視しなければならないという必要不可欠な要望がある。そこで、これを満足させるために、通常の系統連系運転時にはおいては低回転／低負荷率でエンジンＥを使用するように設定している。

一方、自立運転は、停電時など非常用に使用される、ごく短時間の運転であることを前提としておけばよい。したがって、このような非常時には、高回転／高負荷で運転したり、多少効率の悪い運転をしたりしても、寿命等に大きな影響を与えることはない。

そして、本発明によれば、家庭用等の小型コジェネレーション装置を停電時等の非常用電源として有効活用することができる

Claims (3)

1. エンジンと、このエンジンで駆動される発電機と、この発電機の発電出力を系統に連系させる系統連系制御部と、前記エンジンの排熱を回収する排熱回収部とを有するコジェネレーション装置において、
   前記系統から独立して運転する自立運転時には、前記発電機の最大出力点を高くして運転できるようにするため、前記エンジンの回転数の上限を系統連系時より上方に移動する手段を具備したことを特徴とするコジェネレーション装置。
2. 前記系統の停電検出手段と、該停電検出手段による停電検出に応答して自立運転に切り替えるとともに前記系統連系を解列する制御手段を具備し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。
3. 前記系統の停電発生時に前記エンジンが運転停止中である場合は、前記エンジンを始動させることを特徴とする請求項１または２記載のコジェネレーション装置。

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