JP6135923B2

JP6135923B2 - 発電システム

Info

Publication number: JP6135923B2
Application number: JP2013141781A
Authority: JP
Inventors: 智規川浦; 成登金津; 勝上治
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2013-07-05
Filing date: 2013-07-05
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2033-07-05
Also published as: JP2015015845A

Description

本発明は、発電電力を商用電源系統と連系させる発電システムに関する。

近年、例えば特開２００２−２３８１６６号公報（特許公報１）に記載のように、商用電源系統に発電電力を連系させる発電システムが注目されている。このような発電システムでは、商用電源の電流を、変流器（ＣＴ：ＣｕｒｒｅｎｔＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）、電流検出回路、及びマイコン（マイクロコンピュータ）等により検出・測定し、当該電流値（商用電源からの受電電力）に基づいて発電機を制御している。変流器と電流検出回路とは複数の配線（以下、「ＣＴ配線」と称する）で接続されている。ＣＴ配線が断線していると、商用電源の電流情報を得ることができず、発電機の適切な制御が困難となる。そこでＣＴ配線の断線検出が課題となる。

特許公報１のシステムでは、発電機が発電している際、インバータからの出力を調整し、常に順方向の電力を受電することでＣＴ配線の断線を検出している。また、別のシステムでは、変流器に電流値を電圧に変換する電流検出回路を設け、ＣＴ配線に載せる信号を電圧信号とすることで、断線時の信号変化を検出している。

特開２００２−２３８１６６号公報

しかしながら、特許公報１のシステムでは、インバータからの出力をコントロールすることで断線を検出するため、発電機会を損失する可能性がある。これによれば、商用電源の購入量が増えるおそれがあり、その場合、コストメリットが低下してしまう。また、発電動作中でのみ検出可能であり、起動に時間のかかるシステムでの初期チェックには使用しにくいという課題があった。

また、上記別のシステムでは、変流器に部品を追加して特別な仕様にしなければならず、汎用の変流器を用いることができず、コストが増大し作業工程も増大する課題があった。

本発明は、このような事情に鑑みて為されており、発電装置の発電電力を制御することなく、汎用の変流器を用いてもＣＴ配線の断線を検出することができる発電システムを提供することを目的とする。

本発明の様相１に係る発電システムは、発電電力が商用電源系統に連系される発電装置と、前記商用電源系統に対して設置される変流器と、前記変流器からの電流信号を受信して当該電流信号を電圧信号又は前記電流信号と異なる電流信号に変換する電流検出回路、前記電流検出回路からの信号を受信して前記商用電源系統に流れる電流を測定する測定部、及び前記測定部の測定結果に応じて前記発電装置の発電電力を制御する制御部を有する電子制御ユニットと、前記変流器と前記電子制御ユニットを接続するＣＴ配線と、を備える発電システムであって、前記電流検出回路は、前記ＣＴ配線が断線又は短絡していない状態での前記商用電源系統の最小負荷時において、実効値と平均値との差が前記測定部の測定結果における最大誤差よりも大きい交流信号を出力し、前記測定部は、前記電流検出回路から受信した交流信号の実効値及び平均値を算出し、算出した実効値と平均値との差が第一所定値以下である状態が所定時間継続した場合に、前記ＣＴ配線が断線又は短絡していると判定し、前記第一所定値は、前記ＣＴ配線が断線又は短絡していない状態での前記商用電源系統の最小負荷時における実効値と平均値との差未満に設定されている。

本発明の様相２に係る発電システムは、上記様相１において、前記電流検出回路が、シャント抵抗及びオペアンプを有している。

本発明の様相３に係る発電システムは、上記様相１又は２において、前記電流検出回路が、基準電位からオフセットした値が振幅の中心となる交流信号を出力し、前記測定部は、算出した実効値及び平均値の少なくとも一方が第二所定値以上変化し、且つ前記実効値と前記平均値との差が第一所定値以下である場合、前記実効値と前記平均値との差が第一所定値以下である状態が所定時間継続すると、前記ＣＴ配線が断線又は短絡していると判定する。

本発明の様相４に係る発電システムは、上記様相１〜３のうちの１つにおいて、前記測定部が、さらに前記実効値と前記平均値が共に第三所定値以上変化した場合に、前記ＣＴ配線が断線又は短絡していると判定する。

本発明の発電システムによれば、実効値と平均値の差の変化を検出することで、ソフト的な演算によりＣＴ配線の断線又は短絡の検出が可能となる。つまり、本発明によれば、変流器を設計変更する必要なく汎用品を用いることができ、コスト及び作業工数の増大を抑制することができる。また、本発明によれば、最小負荷時に合わせて第一所定値が設定されているため、商用電源系統の負荷状況に関わらず測定部の演算でＣＴ配線の断線等を判定できる。したがって、ＣＴ断線検出にあたり、発電装置の発電電力を制御する必要もなく、あるいは発電装置を起動させる必要もなく、発電機会の損失等も抑制することができる。

第一実施形態の発電システムの構成を示す構成図である。第一実施形態の電流検出回路の構成を示す回路構成図である。第一実施形態の電流検出回路の出力を説明するための説明図である。通常負荷時及び断線／短絡時の実効値と平均値を説明するための説明図である。最小負荷時及び断線／短絡時の実効値と平均値を説明するための説明図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。また、説明に用いる各図は概念図である。

＜第一実施形態＞
第一実施形態の発電システムは、コージェネレーションシステムであって、図１に示すように、変流器１と、ＣＴ配線２と、コージェネレーション装置１００と、を備えている。変流器１は、いわゆるＣＴや電流変成器と呼ばれるものであって、環状の導体コアの内側に検出対象の配線を配置し、一次電流を二次電流に変換して出力するものである。第一実施形態では、導体コアにコイルが巻かれ、コイルからＣＴ配線２に信号（二次電流）が出力される。

ＣＴ配線２は、変流器１と、後述する電子制御ユニットとを接続する配線である。ＣＴ配線２は、１つの変成器１に対して２本配置されている。第一実施形態では、変流器１が３相交流の２相に１つずつ配置されており、ＣＴ配線２は４本となる。

コージェネレーション装置１００は、発電装置３と、熱回路４と、電子制御ユニット５と、を備えている。具体的に、発電装置３は、エンジン３１と、発電機３２と、インバータ３３と、を備えている。エンジン３１は、燃料を供給されて駆動するエンジンである。第一実施形態のエンジン３１は、ガスを燃料として駆動するガスエンジンである。ガスとしては、天然ガスやプロパンガスが例示できる。発電機３２は、エンジン３１に機械的に連結されており、エンジン３１の駆動により駆動する。発電機３２は、エンジン３１の駆動力により駆動し発電する。インバータ３３は、発電機３２が発電した電力を変換して商用電源系統Ｚに連系させる。商用電源系統Ｚには、家電等の電力負荷Ｙが接続されている。発電電力は系統連系される。

熱回路４は、発電装置３の排熱を給湯・暖房等の熱負荷に利用（供給）するための熱回路である。第一実施形態の熱回路４は、エンジン３１の冷却水が流れる配管４０と、熱媒体が流通し熱負荷に接続されている配管４１と、配管４０の冷却水と配管４１の熱媒体とを熱交換させる熱交換器４２と、循環ポンプ４３、４４と、を備えている。

電子制御ユニット５は、ＥＣＵであって、コージェネレーション装置１００を制御するパワーコンディショナである。インバータ３３は、電子制御ユニット５に組み込まれている。電子制御ユニット５は、電流検出回路５１と、マイコン５２と、を備えている。

電流検出回路５１は、変流器１からＣＴ配線２を介して電流信号を受信し、当該電流信号を電圧信号に変換する回路である。具体的に、電流検出回路５１は、図２に示すように、オペアンプ５１１、５１２と、シャント抵抗５１３、５１４、５１５と、電源５１６、５１７と、を備えている。

オペアンプ５１１は、１組（２本）のＣＴ配線２が対応する入力端子にそれぞれ接続されている演算増幅器である。オペアンプ５１１の出力端子は、オペアンプ５１２の第一入力端子に接続されている。オペアンプ５１２は、第一入力端子がオペアンプ５１２の出力端子に接続され、第二入力端子が電源５１７に接続され、出力端子がマイコン５２に接続されている演算増幅器である。電源５１７は、オペアンプ５１２の第二入力端子に基準電位（直流電圧）を印加する。オペアンプ５１２の出力は、基準電位の分、増幅された交流信号となる。

シャント抵抗５１３〜５１５は、電流を検出するための抵抗であって、電流信号を電圧信号に変換するものである。シャント抵抗５１３の一端は電源５１６に接続され、シャント抵抗５１３の他端はＣＴ配線２の一方の配線２１とシャント抵抗５１４の一端に接続されている。シャント抵抗５１４の他端は、ＣＴ配線２の他方の配線２２とシャント抵抗５１５の一端に接続されている。シャント抵抗５１５の他端は、グランドＧＮＤに接続されている。オペアンプ５１１とシャント抵抗５１４は、並列接続されている。電源５１６は、シャント抵抗５１３〜５１５に所定の直流電圧を印加する。

電流検出回路５１は、図３に示すように、上記回路構成によって、振幅の中心が基準電位からオフセットした（ずれた）交流信号を出力する。つまり、マイコン５２には基準電位からオフセットした交流信号が入力される。なお、基準電位は、電源５１７の印加電圧により設定可能であり、０Ｖであっても良い。抵抗（シャント抵抗）と増幅器（オペアンプ）を備える一般の電流検出回路では、回路構成上、必ず上記オフセット（ずれ）が発生する。商用電源系統Ｚの最小負荷時（ＣＴ配線２正常）、すなわち電子制御ユニット５（ＣＰＵ）の消費電力分が負荷されている状態（電力負荷Ｙが無負荷時）においても、電流検出回路５１の出力はオフセットしている。当該最小負荷時において、電流検出回路５１の出力信号における実効値と平均値の差は、マイコン５２が測定する電流値の最大誤差（回路誤差）より大きい値となっている。

マイコン５２は、マイクロコンピュータであって、ＣＰＵ等により演算処理機能を発揮する。マイコン５２は、機能として、測定部５２１と、制御部５２２と、を備えている。測定部５２１は、電流検出回路５１（オペアンプ５１２）から信号を受信して、検出対象である商用電源系統Ｚに流れる電流を測定する。制御部５２２は、測定部５２１から測定結果（電流情報）を受信し、当該測定結果に基づいて発電装置３を制御する。制御部５２２は、測定された電流値又は電流値から算出される商用電源からの受電電力に基づいて発電装置３を制御する。これにより、発電装置１を電力負荷状況に合わせて作動させることができる。

ここで、測定部５２１は、入力される交流信号をサンプリング（サンプル数Ｎ）し、当該交流信号における実効値（［Σ（Ｉ_ｎ）^２］／Ｎ）と平均値（［Σ（Ｉ_ｎ）］／Ｎ）を算出する。換言すると、測定部５２１は、測定対象に流れる電流の実効値と平均値を算出する。測定部５２１は、連続的に継続して、実効値と平均値を算出する。また同時に、測定部５２１は、実効値と平均値の差を算出し、当該差が予め設定された第一所定値以下であるか否かを判定する。第一所定値は、ＣＴ配線２が断線又は短絡していない正常時における最小負荷時の実効値と平均値の差よりも小さい値に設定されている。

第一実施形態では、さらに測定部５２１は、実効値及び平均値の少なくとも一方が予め設定された第二所定値以上変化したか否かを判定する。測定部５２１は、実効値と平均値の差が第一所定値以下となり且つ実効値及び平均値の少なくとも一方が第二所定値以上変化した場合、当該差が第一所定値以下である状態が所定時間継続したか否かを判定する。測定部５２１は、上記状態が所定時間継続した場合、ＣＴ配線２の断線又は短絡と判定する。第二所定値以上の変化を判定する第一実施形態では、第一所定値のみで判定する場合よりも所定時間を短く設定しても高精度を維持することができる。

換言すると、測定部５２１は、実効値と平均値を算出する第一算出部と、実効値と平均値の差を算出する第二算出部と、当該差が第一所定値以下であるか否かを判定する第一判定部と、実効値及び平均値の少なくとも一方が第二所定値以上変化したか否かを判定する第二判定部と、当該差が第一所定値以下であり且つ第二所定値以上変化した場合に当該状態が所定時間継続したか否か（例えば所定回数連続して当該判定が為されたか否か）を判定する第三判定部と、所定時間継続した場合にＣＴ配線２の断線等と判定する第四判定部と、を備えている。

マイコン５は、測定部５２１が「断線等有り」と判定した場合、リモコン等の表示部（図示せず）に断線等発生の表示をする。制御部５２２は、測定部５２１から断線情報を受信すると、発電装置３の作動を停止させる等の異常時制御を実行する。

図４及び図５に示すように、ＣＴ配線２が断線していない正常の状態である場合、通常負荷時及び最小負荷時において、実効値が平均値より大きく、実効値と平均値の差は第一所定値より大きくなっている。ＣＴ配線２の断線又は短絡が発生すると、実効値と平均値の差が小さくなりほぼ等しくなる（実効値≒平均値）。つまり、ＣＴ配線２の断線又は短絡が発生すると、実効値と平均値の差が第一所定値以下となる。第一所定値は、無負荷時の実効値と平均値の差よりも小さい値であって、実効値と平均値がほぼ等しくなることからごく小さい値に設定できる。

さらに、電流検出回路５１の出力がオフセットしているため、ＣＴ配線２の断線又は短絡が発生すると、実効値と平均値が両方変化し、さらには実効値及び平均値の少なくとも一方が大きく変化する。このように、ＣＴ配線２の断線又は短絡が発生すると、実効値と平均値の差が小さくなると共に、実効値と平均値が両方変化し、実効値及び平均値の少なくとも一方が大きく変化する。

このように、第一実施形態では、「差が小さくなったこと」と「少なくとも一方が大きく変化したこと」と「差が小さい状態が継続すること」という断線等時の特徴を検出してＣＴ配線２の断線等の有無を判定している。なお、測定部５２１には、「少なくとも一方が大きく変化したこと（第二所定値以上変化したこと）」の代わりにあるいはこれと共に「実効値と平均値が共に第三所定値変化したこと」を判定要素として設定しても良い。第三所定値は第二所定値より小さく設定できる。

第一実施形態の発電システムによれば、実効値と平均値の変化及び両者の差の変化を検出することでＣＴ配線２の断線又は短絡の検出が可能となる。つまり、第一実施形態によれば、ハードの変更を要せず、マイコン５２によるソフト的な演算により断線等を検出できる。第一実施形態によれば、変流器１を設計変更する必要なく汎用品を用いることができ、コスト及び作業工数が増大することを抑制することができる。また、電流検出回路５１としても抵抗と増幅器で構成された一般的なもの、すなわち汎用品を用いることで、オフセット（図３参照）を出すことができる上、コスト及び作業工数の面で有利となる。

また、第一実施形態によれば、ＣＴ配線２の断線等の検出にあたり、発電装置３の発電電力を制御する必要もなく、発電機会の損失等も抑制することができる。第一実施形態によれば、ＣＴ配線２の断線等の検出にあたり、発電装置３を起動させる必要がなく、例えば電子制御ユニット５の消費電力（最小負荷）のみでも断線検出が可能となる。第一実施形態では、実効値と平均値の差だけでなく、実効値と平均値の大きな変化も検出し、当該変化も断線判定要素としているため、断線判定は高精度となる。

＜第二実施形態＞
第二実施形態の発電システムは、第一実施形態と比べて、測定部５２１の断線判定要素が異なっている。したがって、異なっている部分を説明する。説明にあたり、第一実施形態と同図を参照できる。

第二実施形態の測定部５２１は、第一実施形態同様、電流検出回路５１から信号を受信して、検出対象である商用電源系統Ｚに流れる電流を測定する。測定部５２１は、実効値と平均値の差を算出し、当該差が予め設定された第一所定値以下であるか否かを判定する。そして、測定部５２１は、実効値と平均値の差が第一所定値以下であると判定すると、当該状態が予め設定された所定時間継続したか否かを判定する。測定部５２１は、実効値と平均値の差が第一所定値以下である状態が所定時間継続した場合、ＣＴ配線２の断線又は短絡と判定する。

第二実施形態の測定部５２１は、実効値と平均値の少なくとも一方が第二所定値以上変化したか否かを判定することなく、ＣＴ配線２の断線等を判定する。第二実施形態の発電システムによれば、電流検出回路５１の出力が基準からオフセットしているか否かに関わらず、すなわち電流検出回路５１の構成に関わらず、断線等を検出することができる。ただし、断線検出精度は、実効値と平均値の変化を見ている分、第二実施形態より第一実施形態のほうが優れている。また、第一実施形態同様、第二実施形態でも、所定時間を長く設定することで検出精度を向上させることができる。

＜その他変形態様＞
本発明は、上記実施形態に限られない。例えば、電流検出回路５１は、抵抗と増幅器で構成されるものに限らず、トランスにより電流を変換するものでも良い。この場合、変流器１からＣＴ配線２を介して入力された電流信号は、電流検出回路５１（トランス）で異なる電流値に変換される。変換された電流信号が測定部５２１に入力され、測定部が電流信号に基づいて実効値及び平均値を算出する。この場合であっても、上記実施形態と同様の効果が発揮される。

また、発電装置３は、液体燃料で作動するエンジンを用いるものや燃料電池を用いるものでも良い。また、発電装置３は、燃料（ガスや液体燃料）が供給されて発電するものに限らず、太陽光発電等、自然エネルギーにより発電するものでも良い。ただし、現状の日本では燃料を使った発電装置による発電電力は、電力会社で買い取られない。したがって、本発明は、断線検出によって逆潮流及び非効率的な発電を抑制する点において、燃料が供給されて発電する発電装置に対して特に有効となる。また、コージェネレーション装置のように、商用電源系統の電流値又は消費電力に応じて発電を制御するものでは、ＣＴ配線２の断線の高精度な検出が求められており、さらに非効率的な発電の抑制やシステム自体のコスト削減が求められている。これらの点においても本発明は有効となる。

また、測定部５２１は、第二所定値以上の変化と共に、あるいは第二所定値以上の変化に代えて、実効値と平均値が共に第三所定値以上変化したか否かを判定しても良い。図４及び図５に示すように、ＣＴ配線２の断線等が発生した場合、実効値と平均値の両方が変化している。これを測定部５２１の断線判定要素として利用することも可能である。これによっても、断線判定精度を向上させることができる。逆電力継電器（ＲＰＲ）や不足電力継電器（ＵＰＲ）を備えるシステムにも有効である。なお、最大誤差は、回路の誤差範囲を意味するものであり、瞬間的な異常値は除いて設定することができる。

１：変流器、２：ＣＴ配線（配線）、３：発電装置、３１：エンジン、
３２：発電機、３３：インバータ、４：熱回路、５：電子制御ユニット、
５１：電流検出回路、５１１、５１２：オペアンプ、
５１３〜５１５：シャント抵抗、５１６、５１７：電源、
５２：マイコン、５２１：測定部、５２２：制御部、Ｚ：商用電源系統

Claims

発電電力が商用電源系統に連系される発電装置と、
前記商用電源系統に対して設置される変流器と、
前記変流器からの電流信号を受信して当該電流信号を電圧信号又は前記電流信号と異なる電流信号に変換する電流検出回路、前記電流検出回路からの信号を受信して前記商用電源系統に流れる電流を測定する測定部、及び前記測定部の測定結果に応じて前記発電装置の発電電力を制御する制御部を有する電子制御ユニットと、
前記変流器と前記電子制御ユニットを接続するＣＴ配線と、
を備える発電システムであって、
前記電流検出回路は、前記ＣＴ配線が断線又は短絡していない状態での前記商用電源系統の最小負荷時において、実効値と平均値との差が前記測定部の測定結果における最大誤差よりも大きい交流信号を出力し、
前記測定部は、前記電流検出回路から受信した交流信号の実効値及び平均値を算出し、算出した実効値と平均値との差が第一所定値以下である状態が所定時間継続した場合に、前記ＣＴ配線が断線又は短絡していると判定し、
前記第一所定値は、前記ＣＴ配線が断線又は短絡していない状態での前記商用電源系統の最小負荷時における実効値と平均値との差未満に設定されている発電システム。
請求項１において、
前記電流検出回路は、シャント抵抗及びオペアンプを有する発電システム。
請求項１又は２において、
前記電流検出回路は、基準電位からオフセットした値が振幅の中心となる交流信号を出力し、
前記測定部は、算出した実効値及び平均値の少なくとも一方が第二所定値以上変化し、且つ前記実効値と前記平均値との差が第一所定値以下である場合、前記実効値と前記平均値との差が第一所定値以下である状態が所定時間継続すると、前記ＣＴ配線が断線又は短絡していると判定する発電システム。
請求項１〜３のうちの一項において、
前記測定部は、さらに前記実効値と前記平均値が共に第三所定値以上変化した場合に、前記ＣＴ配線が断線又は短絡していると判定する発電システム。