JP6188877B2 - 発電システム - Google Patents
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Description
ところが、このような連系型のインバータは、電力系統の電圧、周波数、位相を参照にして、発電した電力の電圧、周波数、位相を調整する構成とされている。そのため、電力系統が何らかの理由で停電してしまうと、参照すべき位相などが無くなってしまい、発電した電力の電圧、周波数、位相を調整することができなくなってしまう。それゆえ、特許文献1や特許文献2の発電システムでは、電力系統が停電すると連系型のインバータも停止し、発電した電力を負荷に送ることができなくなる。その結果、発電装置による無負荷での発電を避ける必要から、発電システムも運転を継続することができなくなって、最終的には発電システムでの発電も停止してしまう。
以下、本発明の発電システム1の第1実施形態を、図を用いて説明する。
図1に示すように、第1実施形態の発電システム1は、電力会社などが供給する電力系統とは別に設けられた自立的な発電設備であって、自ら発電した電力を負荷(例えば、工場内の設備など)に供給したり、電力系統に売電したりできるようになっている。
次に、第1実施形態の発電システム1を構成する発電装置2、コンバータ3、及び連系型インバータ4について、まず説明する。
この発電装置2は、熱源の熱を利用して液体の作動媒体(例えば、代替えフロンなど)を蒸発させる蒸発器5と、この蒸発器5で生成された作動媒体の蒸気を用いて膨張機6のタービン(例えば、スクリュ膨張機のスクリュタービン)を回転させて発電を行う発電機7と、この発電機7で発電に用いられた作動媒体の蒸気を凝縮させて液体に戻す凝縮器8とを有している。これらの蒸発器5、膨張機6、凝縮器8は作動媒体を循環させる閉ループ状の循環配管9により接続されており、この循環配管9には作動媒体(例えば、水より沸点の低い低沸点の有機媒体など)を蒸発器5から膨張機6・凝縮器8を経由して蒸発器5に帰還する順に循環させる媒体循環ポンプ10が備えられている。
コンバータ3は、発電機7で発電された交流の電力を直流に変換するものである。このコンバータ3で直流に変換された直流電力は、直流状態のままコンバータ3から独立型インバータ14に送られる。
この連系型インバータ4は、コンバータ3で直流に変換された電力を再び交流に変換するものである。この連系型インバータ4には、図中に点線で示すように外部に設けられた電力系統で供給されている(電力会社から供給されている)交流の電圧、周波数、位相の情報が入力されており、連系型インバータ4は電力系統から入力された情報に合わせて、電力系統で供給されているものと全く同じ電圧、周波数、位相の交流に直流の電力を変換するものとなっている。
図4は比較例に係る発電システムを示す図である。コンバータで直流に変換された電力をインバータ104で交流に変換した後、交流に変換された電力を負荷111に送る場合を考える。
ところが、図4に示すようなシステムにおいて、電力系統が落雷や災害などで停電した場合には発電を継続することが困難になることがある。というのも、インバータ104は、例えば電力系統を流れる電力の電圧、周波数、あるいは位相と等しくなるように直流を交流に変換しているため、インバータ104が停止してしまうと、直流の電力を交流に変換することできない。そうすると、図4に示す発電システムでは、発電した電力を負荷111に送ることができなくなり、発電を継続することが不可能になる。
一方で、本発明の発電システム1では、コンバータ3と連系型インバータ4との間に、上述したような負荷出力部12を設けて、負荷出力部12から連系型インバータ4を経由することなく直接負荷11に電力を供給することにより、電力系統の停電などの理由で連系型インバータ4が停止した場合であっても、独立型インバータ14は動き続けるため、発電した電力を負荷11に供給することを可能としている。このようにすれば発電装置2で発電した電力を負荷11で消費し続けることが可能となり、連系型インバータ4が停止しても発電装置2での発電を継続することが可能となる。
なお、上述した負荷出力部12をコンバータ3と連系型インバータ4との間に設けて、発電装置2で発電した電力を負荷に供給する場合には、図例のように負荷変動に伴って発生するコンバータ3の出力側の電圧変動を安定化させる電圧安定化手段13が、コンバータ3と負荷出力部12との間に備えられているのが好ましい。
次に、上述した発電システム1において電力系統が停電した際に行われる操作と、比較例に係る発電システム1において電力系統が停電した際に行われる操作とを対比して、本発明の発電システム1が有する作用効果について詳しく説明する。
ここで、図4に示す発電システム101(参考の発電システム101)であれば、負荷111が連系型インバータ104よりも電力系統側に設けられているため、連系型インバータ104が停止すると、発電装置102側から負荷111に所定の電圧、周波数、位相を備えた交流を送ることができなくなる。その結果、負荷111に対する電力の供給が完全にストップする。そして、発電装置102は無負荷で発電を行うことになるので、発電装置102自体も最終的に停止する。
一方、図1に示す第1実施形態の発電システム1の場合であれば、電力系統の停電に伴って連系型インバータ4が停止してしまった場合も、負荷出力部12が負荷11に電力を供給し続ける。つまり、コンバータ3で変換された直流の電力を負荷出力部12の独立型インバータ14が交流の電力に変換し、負荷11に合わせた電圧、周波数、または位相の交流を供給し続ける。そのため、電力系統が停電した後も発電装置2で発電した電力は負荷11に送られ、電力系統が停電しても負荷11である設備などは運転を継続することができる。つまり、第1実施形態の発電システム1は、高信頼性を有する発電システム1である。さらに、第1実施形態の発電システム1の場合は発電装置2は停止しないため、従来の発電システム1のように発電装置2を再始動させるために複雑な操作は不要となる。
[第2実施形態]
次に、第2実施形態の発電システム1について、図2を用いて説明する。
具体的には、この第2実施形態の発電システム1は、直流の電力を蓄電するバッテリ21を有している。このバッテリ21は、コンバータ3から独立型インバータ14に向かう直流配線(乃至は分岐配線)に設けられた蓄電ユニットであり、一定時間だけ電力を供給可能なものとなっている。このバッテリ21は、直流配線に対してON/OFFスイッチを介して接続されている。バッテリ21に蓄えられた電力は、例えば冷媒ポンプ10や発電装置2の起動に用いられる。また、当該電力は発電システム1以外の機器に供給されてもよい。
例えば、上述した発電システム1において、負荷側で消費する電力量が想定以上に大きくなった場合を考える。この場合、負荷の増大に合わせて発電装置2で発電される電力を迅速に増やすことが望まれる。
逆に、負荷側で消費する電力量が想定以上に小さくなった場合は、バッテリ21のスイッチをOFFにしたまま、第1実施形態と同様の電圧安定化手段13を用いて電力の一部を消費して、コンバータ3と独立型インバータ14との間の直流配線を流れる直流電力の電圧を小さくするとよい。この際、バッテリ21のスイッチをONにしてバッテリ21への充電を行うようにしてもよい。こうすることで、電力をむだに使用する状況(電圧安定化手段13を用いて電力の一部を熱として消費)を多少なりとも回避できるようになる。
[第3実施形態]
次に、第3実施形態の発電システム1について、図3を用いて説明する。
すなわち、第3実施形態の発電システム1に設けられる発電装置2は、スクリュ膨張機6と、このスクリュ膨張機6で発生する回転駆動力により、発電を行う発電機7を備えている。さらに、スクリュ膨張機6内に高温高圧の蒸気を導入する高圧蒸気配管23と、スクリュ膨張機6内で膨張された低圧の蒸気を排出する低圧蒸気配管24とを備えている。この高圧蒸気配管23には、スクリュ膨張機6内に流入する蒸気の圧力を計測する入側の圧力計25と、膨張機内に流入する蒸気の圧力や流量を調整する調整弁26が備えられている。
上述したような第3実施形態の発電システム1では、高圧蒸気配管24を通じてスクリュ膨張機6内に導かれた高圧の蒸気がスクリュ膨張機6のスクリュタービンを回転させ、スクリュタービンに連結された発電機7で発電が行われる。
[第4実施形態]
次に、第4実施形態の発電システム1について、図5を用いて説明する。発電システム1の構成は、第2実施形態の装置(図2参照)と略同じである。第1バッテリ30は、コンバータ3から系統へと向かう直流配線38(以下、「母線38」という。)に接続されており、第1バッテリ30と母線38との間には接点331が設けられる。第1バッテリ30の定格電圧は342Vである。第1バッテリ30は蓄電された電力(10kW)を30分間、負荷11に供給することが可能である。
第1開閉閾値および第2開閉閾値は、母線電圧の下限値(本実施形態では340V)以上とされ、第1バッテリ30の定格電圧(本実施形態では、342V)以下とされるのであれば他の値でもよい。
[第5実施形態]
次に、第5実施形態の発電システム1について、図7を用いて説明する。発電システム1の構成は、第1バッテリ30および接点331を介して母線38に接続される分岐経路と、第1バッテリ30、抵抗31および接点332を介して母線38に接続される分岐経路と、を備える。他の構造は、第4実施形態の装置と同様である。接点331,332は常開接点である。
第5の実施形態においても、第4の実施形態と同様に、第1バッテリ30が母線38に常時接続される場合に比べて、第1バッテリ30を長寿命とすることができる。第3開閉閾値は母線電圧の許容範囲内において、第2開閉閾値よりも大きい値として設定されるのであれば任意に設定されてよい。
[第6実施形態]
次に、第6実施形態の発電システム1について、図9を用いて説明する。発電システム1は、第1バッテリ30、接点331及び接点333を介して母線38に接続される分岐経路と、第1バッテリ30、接点331、第2バッテリ32及び接点334を介して母線38に接続される分岐経路と、第1バッテリ30、抵抗31、接点332及び接点333を介して母線38に接続される分岐経路と、第1バッテリ30、抵抗31、接点332、第2バッテリ32及び接点334を介して母線38に接続される分岐経路と、を備える。本実施形態では、第2バッテリ32の定格電圧は30Vである。その他の構成は、第5の実施形態と同様である。接点333は常閉接点である。接点331,332,334は常開接点である。第1バッテリ30および第2バッテリ32には内部抵抗が小さいものが利用されることが好ましい。
ところで、ステップS301において、電位Vaが第4開閉閾値より大きい場合、接点332,334が閉じられ、接点331,333が開かれる(ステップS304)。これにより、第1バッテリ30および第2バッテリ32が母線38に接続され、これらのバッテリ30,32が充電される。発電システム1では、母線電圧が許容電圧の上限値近傍まで上昇した場合であっても、第1バッテリ30および第2バッテリ32により電力を吸収することができ、母線電圧の急峻な上昇による負荷11側への過大な電力の供給が抑えられる。一定時間経過後、接点331〜334が初期状態に戻され、ステップS301に戻る。
ステップS306において、電位Vaが第6開閉閾値より低いと判断されると、電位Vaが第2開閉閾値(本実施形態では、341.5V)以下であるか否かが判断される(ステップS311)。電位Vaが第2開閉閾値以下であると判断されると、接点331を閉じ、接点332を開く(ステップS309)。母線電圧に応じて第1バッテリ30に対して充放電が行われる。また、電位Vaが第2開閉閾値よりも大きいと判断されると、接点331,332が開かれ(ステップS310)、第1バッテリ30と母線38とが分断される。図11に示す場合においても、負荷11側へ安定した電力を供給することができる。
[第7実施形態]
次に、第7実施形態の発電システム1について、図12を用いて説明する。発電システム1は、第1バッテリ30、接点331及び接点333を介して母線38に接続される分岐経路と、第1バッテリ30、接点331、第2バッテリ32及び接点334を介して母線38に接続される分岐経路と、抵抗31、接点332、第2バッテリ32及び接点334を介して母線38に接続される分岐経路と、を備える。本実施形態では、第1バッテリ30の定格電圧は350Vであり、第2バッテリ32の定格電圧は50Vである。母線電圧の許容範囲は330V以上380V以下である。その他の構成は、第6の実施形態と同様である。
以上、第1バッテリ30および第2バッテリ32の動作について説明したが、第1設定電位範囲内において、第1バッテリ30と第2バッテリ32とが個別に充電されることから、第1バッテリ30および第2バッテリ32の過充電を抑えることができる。また、第1バッテリ30として鉛蓄電池など内部抵抗が大きいものを利用することができ、バッテリの選択の自由度を高くすることができる。その結果、発電システム1の製造コストを抑えることが可能となる。本実施形態では、第7開閉閾値は、第2バッテリ32の定格電圧より小さい値で設定されるのであれば他の値でもよい。第1設定電位範囲の上限値は、定常範囲の上限値と許容範囲の上限値との間の任意の値に設定されてよく、下限値は、定常範囲の下限値と許容範囲の下限値との間の任意の値に設定されてよい。第2設定電位範囲は必ずしも母線電圧の定常範囲と同じとされる必要はない。第2設定電位範囲の下限値および上限値は、第1バッテリ30の定格電圧である350Vから10Vを減じた値以上、定格電圧に10Vを加えた値以下の範囲にて設定されることが好ましい。ただし、第2設定電位範囲の下限値は第1設定電位範囲の下限値よりも大きくされ、上限値は第1設定電位範囲の上限値よりも小さくされる。
2 発電装置
3 コンバータ
4 連系型インバータ
5 蒸発器
6 膨張機
7 発電機
8 凝縮器
9 循環配管
10 媒体循環ポンプ
11 負荷
12 負荷出力部
13 電圧安定化手段
14 独立型インバータ
15 抵抗
16 電圧測定器
17 比較部
18 スイッチング部
19 高周波ゲート指令部
20 IGBT
21 バッテリ
23 高圧蒸気配管
24 低圧蒸気配管
25 入側の圧力計
26 調整弁
27 出側の圧力計
28 バッファタン
30 第1バッテリ
31 抵抗
32 第2バッテリ
101 参考の発電システム
102 参考の発電システムに設けられた発電装置
104 参考の発電システムに設けられた連系型インバータ
111 参考の発電システムに設けられた負荷
Claims (3)
- 発電装置と、前記発電装置で発電された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータで変換された直流電力を、系統に連系可能な交流電力に変換する連系型インバータとを備えると共に、
前記コンバータと連系型インバータとの間から、負荷に直流または交流の電力を供給する負荷出力部を備えていて、
さらに、第1バッテリと、
前記第1バッテリよりも定格電圧が低い第2バッテリと、
前記コンバータおよび前記負荷出力部を繋ぐ直流配線と前記第1バッテリとの接続、および、前記直流配線と前記第2バッテリとの接続を切り替える第1接点部と、を備え、
前記第1接点部の切り替えにより前記第1バッテリおよび前記第2バッテリが個別に充電されるものであって、
前記第2バッテリを前記第1バッテリに直列に繋ぐ第2接点部を備え、
前記直流配線の電圧が第1設定電位範囲の上限値よりも大きい、または、下限値よりも小さい場合に、前記第2接点部が閉じられて前記第1バッテリおよび前記第2バッテリが前記直流配線に接続される
ことを特徴とする発電システム。 - 発電装置と、前記発電装置で発電された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータで変換された直流電力を、系統に連系可能な交流電力に変換する連系型インバータとを備えると共に、
前記コンバータと連系型インバータとの間から、負荷に直流または交流の電力を供給する負荷出力部を備えていて、
前記負荷出力部は、前記コンバータで変換された直流電力を、交流電力に変換して前記負荷に出力する独立型インバータを有していて、
さらに、第1バッテリと、
前記第1バッテリよりも定格電圧が低い第2バッテリと、
前記コンバータおよび前記負荷出力部を繋ぐ直流配線と前記第1バッテリとの接続、および、前記直流配線と前記第2バッテリとの接続を切り替える第1接点部と、を備え、
前記第1接点部の切り替えにより前記第1バッテリおよび前記第2バッテリが個別に充電されるものであって、
前記第2バッテリを前記第1バッテリに直列に繋ぐ第2接点部を備え、
前記直流配線の電圧が第1設定電位範囲の上限値よりも大きい、または、下限値よりも小さい場合に、前記第2接点部が閉じられて前記第1バッテリおよび前記第2バッテリが前記直流配線に接続される
ことを特徴とする発電システム。 - 前記発電装置として、
作動媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した作動媒体の蒸気を膨張させ発電機を駆動する回転駆動力を発生させる膨張機と、前記膨張機で膨張した作動媒体の蒸気を液体に凝縮する凝縮器と、前記凝縮器で凝縮した液体の作動媒体を循環させる作動媒体ポンプと、を閉ループ状の循環配管上に備えたバイナリサイクル発電装置を採用していることを特徴とする請求項1又は2に記載の発電システム。
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