JP4756758B2

JP4756758B2 - 商用電源系統連系式発電装置

Info

Publication number: JP4756758B2
Application number: JP2001090160A
Authority: JP
Inventors: 善隆柴田
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2001-03-27
Filing date: 2001-03-27
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2021-03-27
Also published as: JP2002291159A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転式の原動機を動力源として得られる直流出力をインバータで商用電源周波数の交流出力に変換し、商用電源に系統連系して発電を行うように構成した商用電源系統連系式発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンやタービンなどの原動機によって交流発電機を駆動するとき、発電周波数をｆＨｚ（ｆヘルツ）、発電機の極数をｐ、発電機の回転数をｎ rpm（ｎ回／分）とすると、ｆ，ｐ，ｎの間にはｎ＝ 120ｆ／ｐという良く知られた関係が成り立つ。例えば、発電装置が同期発電タイプであって、極数が４の発電機から60Ｈｚの交流出力を取り出してそのまま発電電力として利用する場合、発電機の回転数は1800rpm でなければならない。原動機の出力軸に発電機が直結されている場合は、原動機の回転数も1800rpm でなければならない。
また, 原動機の回転数を減速あるいは増速して発電機を駆動する場合でも、発電周波数を一定に保つために、原動機の回転数は一定でなければならない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、タービンでもエンジンでも、原動機の回転数が一定であると、電気負荷が定格発電出力を大きく下回る部分負荷の場合に発電効率が低下して燃費が悪化する欠点があった。
【０００４】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、請求項１に係る発明は、原動機に過負荷がかかることを防止しながら発電効率を高く維持できるようにするとともに、電気負荷の微小な変動に対して構成簡単にして良好に対応できるようにすることを目的とし、また、請求項２に係る発明は、電気負荷の急減時の逆潮流を設定時間以内に解消できるようにすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、上述のような目的を達成するために、
商用電源に系統連系して交流発電を行う商用電源系統連系式発電装置であって、
外部制御信号により回転数が変化する回転数可変型の原動機と、
前記原動機を動力源として直流出力を発生する直流出力発生手段と、
前記直流出力発生手段からの直流出力を商用電源周波数の交流出力に変換するインバータと、
電気負荷の大きさを検出する電気負荷検出手段と、
電気負荷が定格発電出力より小さい範囲を含んで増減するときに、前記電気負荷検出手段による検出電気負荷の変化に応じ、電気負荷が減少したときには前記インバータの交流出力を減少させ、それと同時か遅らせてから前記原動機の回転数を検出電気負荷に対応した回転数に減少するように制御し、電気負荷が増加したときには前記原動機の回転数を検出電気負荷に対応した回転数に増加させ、それと同時か遅らせてから前記インバータの交流出力を増加するように制御する制御手段とを備え、
前記商用電源からの購入電力の最低限度値を予め設定し、
前記制御手段を、検出電気負荷が定格発電出力に購入電力の最低限度値を加えた電力より小さいときに、検出電気負荷から前記購入電力の最低限度値を差し引いた分の電気負荷に対応した発電出力となるように前記インバータの交流出力と前記原動機の回転数を制御するように構成する。
【０００６】
また、請求項２に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項１に係る商用電源系統連系式発電装置において、
逆潮流なしの条件で商用電源と系統連系させ、
制御手段を、電気負荷が急減して逆潮流状態になったときに、予め定められた設定時間以内にインバータの交流出力を検出電気負荷以下まで減少するように構成した商用電源系統連系式発電装置。
【０００７】
【作用】
請求項１に係る発明の商用電源系統連系式発電装置の構成によれば、回転数可変型の原動機を動力源として得られる直流出力をインバータで商用電源周波数の交流出力に変換し、原動機の回転数を変化させても発電周波数に影響が出ないようにしておき、制御手段によって、電気負荷が定格発電出力より小さい範囲を含んで増減するときに、電気負荷検出手段による検出電気負荷の変化に応じ、電気負荷が減少したときにはインバータの交流出力を減少させ、それと同時か遅らせてから原動機の回転数を検出電気負荷に対応した回転数に減少するように制御し、電気負荷が増加したときには原動機の回転数を電気負荷に対応した回転数に増加させ、それと同時か遅らせてからインバータの交流出力を増加するように制御し、原動機を常に電気負荷に見合った適切な回転数で回転することができる。
しかも、検出電気負荷が定格発電出力に購入電力の最低限度値を加えた電力より小さいときに、図４のタイムチャートに示すように、インバータからの発電出力Ｐout ＝〔検出電気負荷Ｐload−購入電力の最低限度量Ｐmin 〕となるようにインバータの交流出力と原動機の回転数を制御し、常に商用電源から最低限度値の電力を電気負荷に供給し、電気負荷の微小な変動に対して商用電源からの電力によって追随させることができる。
【０００８】
また、請求項２に係る発明の商用電源系統連系式発電装置の構成によれば、電気負荷が急減して逆潮流状態になったときに、予め定められた設定時間以内にインバータの交流出力を検出電気負荷以下まで減少させ、逆潮流状態が設定時間を越えて継続することを解消できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る商用電源系統連系式発電装置の基本構成例を示す概略構成図であり、外部制御信号により回転数が変化する回転数可変型の原動機１の出力軸２に交流発電機３が連動連結され、交流発電機３の出力側に、交流発電機３の交流出力を直流に変換する直流出力発生手段としての交直変換器４と、交直変換器４の直流出力を所定の周波数の交流出力に変換するインバータ５とが順に直列に設けられている。
【００１０】
インバータ５からの電力出力線６に電気負荷７が接続されるとともに、電力出力線６に商用電源８が系統連系され、交流発電機３による発電電力と商用電源８からの商用電力のいずれをも電気負荷７に供給できるように構成されている。
【００１１】
原動機１と交流発電機３と連動連結するのに、上述のように、交流発電機３を原動機１の出力軸２に直結してもよいし、増速機構または減速機構などを介して交流発電機３を原動機１の出力軸２に間接的に連動連結するように構成してもよい。
交直変換器４は発電機３の交流出力を整流化した直流出力にしてインバータ５に出力するようになっている。
【００１２】
インバータ５は、トランジスタやＩＧＢＴ等の電子スイッチング素子と高周波ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）技術を利用して直流入力を所定の周波数の正弦波交流出力に変換するように構成した直交変換器である。すなわち、インバータ５では、図２の波形図に示すように、正弦波の両端に近い側では電気パルスの幅が狭く、中央部に近いほど電気パルスの幅が広くなるようにして、半サイクルの間に何回も同じ極性の電気パルス（擬似正弦波）の列を極性が半サイクル毎に正・負の間で切り替わるようにして発生させるとともに、電気パルスの列を簡単なフィルタを通すことによって、図２に破線で示すように、所定の周波数の正弦波交流出力に整形する。
このようにして、インバータ５の交流出力が発電出力として電気負荷７に供給される。
【００１３】
電力出力線６に、電気負荷７で必要とする電気負荷の大きさを検出する電気負荷検出手段としての電気負荷検出器９が設けられている。
電気負荷検出器９が、制御手段としてのコントローラ１０に接続されている。
【００１４】
コントローラ１０では、電気負荷が定格発電出力より小さい範囲を含んで増減するときに、電気負荷検出器９による検出電気負荷の変化に応じ、電気負荷が減少したときにはインバータ５の交流出力を減少させ、それと同時か遅らせてから原動機１の回転数を検出電気負荷に対応した回転数に減少するように制御し、電気負荷が増加したときには原動機１の回転数を検出電気負荷に対応した回転数に増加させ、それと同時か遅らせてからインバータ５の交流出力を増加するように制御するようになっている。原動機１の検出電気負荷に対応した回転数としては、原動機１の効率と耐久性とから最適となる回転数が予め設定される。
【００１５】
次に、上述制御動作につき、図３の制御動作を説明するタイムチャートを用いて説明する。
この基本構成例では、交流発電機３の定格発電出力が 1.0ｋＷであり、定格出力時の原動機１の回転数は2000rpm である。
【００１６】
制御当初は、電気負荷が 1.5ｋＷであり、インバータ５が定格出力（ 1.0ｋＷ）の交流発電出力を電気負荷７に供給するとともに商用電源８から 0.5ｋＷの購入電力を電気負荷７に供給している。その状態の後、電気負荷が定格出力の半分の 0.5ｋＷに減少した場合に、それに伴い、商用電源８からの購入電力が直ちにゼロとなるが、インバータ５の発電出力は 0.5ｋＷ分だけ過剰となり、逆潮流状態となるが、インバータ５の発電出力を速やかに必要な 0.5ｋＷまで絞り込ませるとともに、原動機１の回転数を、少し遅れたタイミングで、インバータ５で絞り込む発電出力に見合った最適回転数（1000rpm ）まで定格回転数（2000rpm ）から緩やかな速度で落とすように制御される。
【００１７】
原動機１の回転数を落とすタイミング・速度は、インバータ５の発電出力を絞る速度・タイミングと同一かまたは少し遅らせるように設定しておく。原動機１の回転数を落とす速度・タイミングがインバータ５の発電出力を絞る速度より速いと、原動機１に過負荷がかかり、原動機１が停止したり、耐久性が低下したりする虞がある。そのうえ、原動機１の回転数を速やかに下げることは簡単ではないので、通常、原動機１の回転数の下降速度はインバータ５の発電出力の減少速度よりも緩やかなように設定される。
【００１８】
その後、逆に電気負荷が定格負荷未満の約 0.8ｋＷへ増加すると、商用電源８から直ちに購入電力が供給されて電気負荷７に 0.8ｋＷの電力が電気負荷の増加に追従して供給される。その後に、原動機１の回転数を検出電気負荷の 0.8ｋＷに対応した目標発電出力に見合った最適回転数（約1600rpm ）まで上げるとともに、インバータ５の発電出力を増大させるように制御される。
【００１９】
インバータ５からの出力量が増大するに従って商用電源８からの購入電力量が速やかに減り、インバータ５の発電出力が 0.8ｋＷまで増加すれば、商用電源８からの購入電力量はゼロとなる。
【００２０】
通常、インバータ５の発電出力を増大させる速度・タイミングは、原動機１の回転数を上げる速度・タイミングと同じかまたは少し遅らせるように設定しておく。インバータ５からの発電の出力を増大させる速度・タイミングが、原動機１の回転数を上げる速度・タイミングより速いと、原動機１に過負荷がかかる虞があるからである。
【００２１】
電気負荷の減少・増加が急激でなく緩慢な場合は、インバータ５の発電出力および原動機１の回転数は、事実上、電気負荷の変化に追従して変化する。
以後、電気負荷の減少・増加に応じて、同様にインバータ５の発電出力および原動機１の回転数が制御される。
上述のように、逆潮流状態を解消するように作動するので、逆潮流なしの方が経済性が上がるような場合に用いるのに好適な装置であるが、逆潮流有りの場合に用いても良い。
【００２２】
また、商用電源８と逆潮流なしの条件で系統連系されている場合において、コントローラ１０では、電気負荷が急減して逆潮流状態になったときに、予め定められた設定時間以内にインバータ５の交流出力を検出電気負荷以下まで減少するようになっている。
【００２３】
すなわち、図３に示すように、電気負荷が急減して逆潮流になった場合、予め定められた制限時間（設定時間）Ｔｏ以内にインバータ５の発電出力を検出電気負荷以下まで絞り込ませて、商用電源８の系統への逆潮流が設定時間以上継続することを回避する。
【００２４】
通常、商用電源８の系統で事故（故障）が起きた場合、事故発生箇所を特定するために、商用電源８の系統側で開路して送電をいったん中止してから再び商用電源８の系統側で閉路する迄の時間（再閉路時間）が設定されている。一方、商用電源８に系統連系する発電装置は、再び閉路される迄の間に（つまり再閉路時間内に）解列されなければならない。作業員や一般人が未解列の発電装置の出力で感電する虞があるのに加え、もし系統が再び閉路される時点で未だ発電装置が系統から解列されていなければ、再閉路された時に、系統連系の発電装置と商用電源８の位相とがずれていると、非同期投入となって系統側に過電流や大きな電圧変動が生じ、需要家の機器に損傷を与える虞があるからである。
【００２５】
逆潮流なしの系統連系の場合も、単独運転の検出には、逆電力（逆潮流）継電器で再閉路時間を越える逆潮流が起こっていないかどうかのチェックが含まれるので、逆潮流状態を再閉路時間内に解消して解列を回避する必要がある。
以上のことから、商用電源８と逆潮流なしで系統連系する発電装置の場合は、制限時間Ｔｏを再閉路時間と同一時間に設定し、負荷量の急減に伴って起こる逆潮流を再閉路時間以内に必ず解消するようにしている。
これにより、電気負荷の急減時に起こる逆潮流を再閉路時間（設定時間）以内に必ず解消することができ、商用電源８との間で逆潮流なしの系統連系を維持できる。
【００２６】
図４は、本発明に係る商用電源系統連系式発電装置の実施例の制御動作を説明するタイムチャートである。この実施例の機器構成は基本構成例と同じであり、同一図番を用いて説明する。
この実施例においては、商用電源８からの購入電力の最低限度値Ｐmin が予め設定されている。
【００２７】
コントローラ１０において、検出電気負荷が定格発電出力に購入電力の最低限度値を加えた電力より小さいときに、検出電気負荷から購入電力の最低限度値Ｐmin を差し引いた分の電気負荷に対応した発電出力となるように原動機１の回転数を制御するようになっている。
すなわち、電気負荷Ｐloadに応じた電力を得るのに、商用電源８から最低限度値Ｐmin の電力を常に供給し、インバータ５からは発電出力Ｐout ＝〔検出負荷量Ｐload−商用電力の最低限度値Ｐmin 〕の電力を供給するようになっている。この最低限度値Ｐmin としては、交流発電機３の定格出力１ｋＷの10％、すなわち、 0.1ｋＷに設定されている。
【００２８】
この実施例によれば、商用電源８から最低限度値Ｐmin の電力を常に供給しているため、電気負荷の変動が微小な場合に商用電源８の系統で吸収でき、電気負荷の微小な変動に、発電装置側で対応せずに良好に対処できる。
【００２９】
上記基本構成例で、予め定められた制限時間（設定時間）Ｔｏを再閉路時間と同一に設定していたが、再閉路時間よりも短い時間でありさえすれば良い。
【００３０】
また、実施例で、商用電源８から常に購入する電力の最低限度値を発電装置の定格出力の10％に設定していたが、例えば発電装置の定格出力の15％や８％など、適宜所望の値に設定すれば良い。
【００３１】
また、上記実施例では、直流出力発生手段として、交流発電機３の交流出力を交直変換器４で整流して直流出力を得るように構成しているが、この代わりに直流発電機を用いて直流出力を得るように構成するものでもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１に係る発明の商用電源系統連系式発電装置によれば、原動機の回転数を変化させても発電周波数に影響が出ないようにしておき、しかも、電気負荷が定格発電出力より小さい範囲を含んで増減するときに、電気負荷が減少したときにはインバータの交流出力を減少させ、それと同時か遅らせてから原動機の回転数を検出電気負荷に対応した回転数に減少するように制御し、電気負荷が増加したときには原動機の回転数を電気負荷に対応した回転数に増加させ、それと同時か遅らせてからインバータの交流出力を増加するように制御するから、原動機に過負荷がかかることを防止して原動機の停止や原動機の耐久性の低下を回避しながら、原動機を常に電気負荷に見合った適切な回転数で回転することができ、発電効率を高く維持できる。
しかも、検出電気負荷が定格発電出力に購入電力の最低限度値を加えた電力より小さいときに、常に商用電源から最低限度値の電力を電気負荷に供給し、電気負荷の変動に対して商用電源からの電力によっても追随させるから、電気負荷の微小な変動を系統で吸収することができ、インバータの出力に対する高精度の制御が不要になり、電気負荷の微小な変動に対して構成簡単にして良好に対応できる。
【００３３】
また、請求項２に係る発明の商用電源系統連系式発電装置によれば、電気負荷が急減したときに、逆潮流状態が設定時間を越えて継続することを解消できるから、電気負荷の急減時の逆潮流を設定時間以内に解消し、系統に悪影響を及ぼすことを回避して安全性に優れるなど、実用性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る商用電源系統連系式発電装置の基本構成例を示す概略構成図である。
【図２】インバータ出力の波形図である。
【図３】基本構成例の制御動作を説明するタイムチャートである。
【図４】実施例の制御動作を説明するタイムチャートである。
【符号の説明】
１…原動機
３…交流発電機
４…交直変換器
５…インバータ
７…電気負荷
８…商用電源
９…電気負荷検出器
１０…コントローラ

Claims

商用電源に系統連系して交流発電を行う商用電源系統連系式発電装置であって、
外部制御信号により回転数が変化する回転数可変型の原動機と、
前記原動機を動力源として直流出力を発生する直流出力発生手段と、
前記直流出力発生手段からの直流出力を商用電源周波数の交流出力に変換するインバータと、
電気負荷の大きさを検出する電気負荷検出手段と、
電気負荷が定格発電出力より小さい範囲を含んで増減するときに、前記電気負荷検出手段による検出電気負荷の変化に応じ、電気負荷が減少したときには前記インバータの交流出力を減少させ、それと同時か遅らせてから前記原動機の回転数を検出電気負荷に対応した回転数に減少するように制御し、電気負荷が増加したときには前記原動機の回転数を検出電気負荷に対応した回転数に増加させ、それと同時か遅らせてから前記インバータの交流出力を増加するように制御する制御手段とを備え、
前記商用電源からの購入電力の最低限度値を予め設定し、
前記制御手段を、検出電気負荷が定格発電出力に購入電力の最低限度値を加えた電力より小さいときに、検出電気負荷から前記購入電力の最低限度値を差し引いた分の電気負荷に対応した発電出力となるように前記インバータの交流出力と前記原動機の回転数を制御するように構成してあることを特徴とする商用電源系統連系式発電装置。
請求項１に記載の商用電源系統連系式発電装置において、
逆潮流なしの条件で商用電源と系統連系させ、
制御手段を、電気負荷が急減して逆潮流状態になったときに、予め定められた設定時間以内にインバータの交流出力を検出電気負荷以下まで減少するように構成した商用電源系統連系式発電装置。