JPH09233705A - 分散型発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】設備の稼働率が高く、電力系統のピーク電力対
策に有効な分散型発電システムを提供する。 【解決手段】発電設備と二次電池からなる電力貯蔵設備
とを電力変換器を介して直接接続すると共に、変圧器と
スイッチを介して電力系統へ接続した分散型発電設備を
用いて、発電設備をできるだけ一定の出力で運転し、所
定のパターンに従って電力を電力系統へ供給すると共
に、夜間の余剰電力を電力貯蔵設備に蓄え、昼間に電力
系統へ供給する。 【効果】発電設備を連続運転して設備の稼働率を高めな
がら、目的とする消費パターンに応じた電力を電力系統
へ供給できる、電力ピーク対策に有効な分散型発電シス
テムが実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、都市近郊に設置さ
れる中小火力発電設備や燃料電池のような、分散型発電
システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】電力系統の負荷平準化対策として、負極
にナトリウム，正極に硫黄を用いたナトリウム−硫黄電
池などからなる電力貯蔵システムを変電所に設置して、
電力使用量の少ない夜間に電力を蓄え、電力使用量の多
い昼間に電力を放出する負荷平準化システムは、例えば
エネルギー・資源学会から１９９２年に発行された出版
物『エネルギー貯蔵システム』６１〜８１頁に見られる
ように公知である。一方、近年の電力事情では、昼間の
内でも特定の時間帯に必要とされる電力ピーク値の影響
が大きく、この電力ピーク値に応じて装備する発電設備
や送電設備，変電設備の容量が決まってくるため、平均
使用電力に対して過大な発電設備や送電設備，変電設備
の投資が必要とされ、これを避けるために電力ピーク対
策が急務とされている。この目的のために、中小火力発
電所などのような分散型発電所を都市近郊に設置して、
過大な電力が必要とされる昼間に主に運転することによ
り、電力ピーク対策と共に送電設備の投資抑制が図られ
ている。しかしながら、この方法によっても、昼間と夜
間の消費電力の違いのために、昼間のみ発電設備を運転
し、夜間は停止するなどの必要を生じ、設備の稼働率が
低く、発電設備が有効に利用できない問題点があった。

【０００３】さらに、近年、電力会社以外のメーカの発
電設備を用いて、その余剰電力を電力系統へ供給し、電
力設備の有効利用を図る動きが活発である。しかしなが
ら、この場合にも発電メーカが自家用に使用した残りの
電力パターンと電力系統で必要とされる消費電力パター
ンとが必ずしも一致しないことや、電力系統で昼間必要
とされる電力ピークが夜間の約２倍とアンバランスが大
きいため、全体として電力設備に無駄を生じ、設備の稼
働率が充分には高くできない問題点があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、上記
従来技術の欠点を除き、設備の稼働率が高く、電力系統
の電力ピーク対策に有効な分散型発電システムを提供す
るにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するた
め、本発明の分散型発電システムは、発電設備と二次電
池よりなる電力貯蔵設備とを組み合わせた分散型発電シ
ステムにおいて、前記発電設備と前記電力貯蔵設備とが
電力変換器を介して直接接続されると共に、変圧器とス
イッチを介して電力系統へ接続されていることを特徴と
している。なお、前記発電設備の夜間の発電電力は前記
電力系統へ供給される電力よりも大きく、両者の差の電
力が前記電力貯蔵設備へ貯蔵され、貯蔵された電力が昼
間の所定の時間帯に前記電力系統へ供給される。また、
前記発電設備は１日中ほぼ一定出力で運転し、所定のパ
ターンに従って電力を前記電力系統へ供給すると共に、
夜間の余剰電力を前記電力貯蔵設備に蓄え、貯蔵した電
力は昼間に前記電力系統へ供給されることが特に望まし
い。ここで、前記発電設備と前記電力貯蔵設備とは、変
圧器とスイッチを介して別々に前記電力系統へ接続され
ていることが、電力系統の制御上望ましい。また、前記
発電設備として火力発電設備又は燃料電池を、前記電力
貯蔵設備としてナトリウム硫黄電池などの高温ナトリウ
ム二次電池よりなる電力貯蔵設備を用いることが特に望
ましい。

【０００６】さらに、前記電力貯蔵設備の電力貯蔵容量
（ｋＷｈ）と前記電力変換器の入出力容量（ｋＷ）との
比が約７〜１２の範囲内にあること、前記電力変換器の
入出力容量が前記発電設備の発電容量の約２５％から約
７５％の範囲にあることがシステム構成上有利である。

【０００７】以下、本発明を図面を用いて説明する。

【０００８】図１及び図２は本発明の分散型発電システ
ムの構成例を示している。図１において、１は、例えば
１０〜１５万ｋＷ以下の火力発電設備や燃料電池などの
発電設備である。２は二次電池よりなる電力貯蔵設備で
あり、エネルギー密度が大きいためにシステムがコンパ
クトにできること、出力密度が大きくできるために電力
ピーク対応に適していること、サイクル寿命が長いため
に電力系統の信頼性を損なわないこと、自己放電がな
く、充放電効率が高いためにシステム効率が高くできる
こと、の理由で、活物質としてナトリウムと硫黄を用い
たナトリウム−硫黄電池などの高温ナトリウム二次電池
を用いるのが好適である。３は電力変換器であり、発電
設備１の電力の一部を交直変換して電力貯蔵設備２へ貯
蔵したり、貯蔵された電力を直交変換して電力系統７へ
供給したりする役目を果たしている。４は切り替えのた
めの遮断器などのスイッチである。また、５は昇圧のた
めの変圧器で、遮断器などのスイッチ６を介して電力系
統７と接続されており、発電設備１や電力貯蔵設備２の
電力を電力系統７へ供給する役目を果たしている。さら
に、８は全体のシステムを制御するための制御・保護装
置である。

【０００９】図２においても、図１と同符号の部品は同
じ内容を示している。この図においては、発電設備１と
電力変換器３のそれぞれに変圧器５とスイッチ６とが接
続され、電力系統７に繋がっている。また、図３，図４
は本発明の分散型発電システムの働きの例を示してい
る。図３の例では、実線で示されるように、発電設備は
１日中ほぼ一定の出力で発電される。夜間には電力系統
で必要とされる電力が少ないため、電力系統へ供給され
る電力は破線のようになり、実線と破線との差の電力量
Ａが電力貯蔵設備へ蓄えられる。一方、昼間には多量の
電力が必要とされるため、実線で示された発電設備から
の電力と、電力貯蔵設備からの電力Ｂとを加えた破線で
示された電力が電力系統へ供給される。また、図４の例
では、実線で示されるように、発電設備は夜間には出力
をしぼって運転される。また、昼間には一部電力は図示
されていない負荷によって自家消費され、残りの電力と
電力貯蔵設備からの電力Ｂが電力系統へ供給される。一
方、夜間には自家消費はなく、発電された電力と電力系
統へ供給される電力の差Ａが電力貯蔵設備に蓄えられ
る。蓄えられた電力は、昼間の電力消費の多い時間帯に
電力系統へ供給され（図のＢ）、電力ピーク対策に有効
に寄与する。

【００１０】さらに、図５，図６は発電設備して燃料電
池を用いた分散型発電システムの構成例を示しており、
図１，図２と同符号の設備は同じ内容を示している。こ
れらの例では、電力変換器３としては直流−直流変換器
が用いられると共に、発電設備１と変圧器５の間に第二
の電力変換器９が設けられている。また、図６の例で
は、電力貯蔵設備２と変圧器５との間に第三の電力変換
器１０が設けられており、これら第二，第三の電力変換
器は、発電設備１や電力貯蔵設備２から供給される直流
電力を交流電力に変換して、変圧器５へ供給している。

【００１１】本発明の分散型発電システムにおいては、
夜間には電力系統へ供給される電力よりも大きな電力が
発電設備で発電され、両者の差の電力が電力貯蔵設備へ
貯蔵され、貯蔵された電力が昼間の所定の時間帯に前記
電力系統へ供給されるため、電力貯蔵設備を設けない場
合に比べて、発電設備の稼働率は向上し、また、全体と
しての電力供給パターンが昼間の電力ピークに対処する
のに有効なパターンとなる。なお、発電設備は１日中ほ
ぼ一定の出力で運転されることが望ましく、この場合発
電設備の稼働率は特に高くなり、また、電力貯蔵設備か
ら昼間の電力消費の多い時間帯に電力を供給することに
より、電力ピークに対して有効に対処できる。さらに、
発電設備が適正範囲のほぼ一定の出力で連続運転される
場合、発電効率が高く、且つ、発電設備の寿命が長くな
る。特に、発電設備として火力発電設備や燃料電池を用
いる場合、設備の起動・停止には複雑な制御や時間を必
要とし、設備の温度変化やボイラの点火装置のオン・オ
フが効率の低下や寿命低下をもたらし易いが、発電設備
を連続運転する場合には、一定出力で連続運転する場合
はもちろん、夜間に出力をしぼって連続運転する場合に
も、このような問題は起こりにくい。なお、発電設備と
して火力発電設備や溶融塩燃料電池，固体電解質燃料電
池を用いた場合、その排ガスの温度を利用してナトリウ
ム硫黄電池などの高温ナトリウム二次電池を加熱・保温
すれば、電気ヒータを用いて電池を加熱・保温する場合
に比べて、システムの効率が高くできるという利点もあ
る。また、電力会社以外のメーカの発電設備において
も、夜間の余剰電力を昼間電力系統へ供給することによ
り、稼働率を高め、設備の有効利用が図られる。

【００１２】さらに、発電設備と電力貯蔵設備とが電力
変換器を介して直接接続されていて、発電設備から電力
貯蔵設備への送電に電力系統を利用する必要がないた
め、分散型発電システムの制御が簡単で、外乱を受けに
くく、電力の送電ロスが少ないという利点がある。ま
た、本発明の分散型発電システムは電力の消費地に近い
都市近郊に設置されることができるため、変電所へ電力
貯蔵設備を設置したシステムに比べて、変電所から消費
地までの送電設備が節約できること、電力の消費地近く
で消費パターンに沿った電力が供給されるため、電力系
統の制御が容易で、その電圧や周波数が安定に保たれ易
い利点もある。特に、電圧制御に有効な無効電力制御は
制御範囲が比較的狭い範囲に限定されること、遠方から
有効電力制御する場合、送電線などによるロスが問題に
なることから、発電設備と電力貯蔵設備を組合せて、電
力の消費地近傍へ設置することのメリットは大きい。

【００１３】電力系統の制御性を高める観点からは、図
２に示すように、発電設備と電力変換器とを別々に電力
系統へ接続するのが望ましい。こうすることにより、両
者が独立に制御でき、きめこまかな制御が可能となる。
特に、電力変換器に有効電力制御の他に無効電力制御の
機能を持たせることにより、例えば、発電設備で有効電
力を供給しながら、電力変換器でそれと独立に無効電力
制御するなどの方法により、電力系統の電圧や周波数な
どの安定化が有効に行える。もちろん、この場合にも分
散型発電設備を電力の消費地近くの都市近郊に設置する
ことにより、電力系統の電圧や周波数の制御が容易で、
有効なものとなる。なお、図１の構成では変圧器が一台
で済むため、システムの構成が簡単で、設置面積が少な
くて済む利点がある。

【００１４】電力の消費パターンは季節，場所，天候な
どによって変化するが、検討の結果、電力貯蔵設備の電
力貯蔵能力（ｋＷｈ）と電力変換器の入出力容量（ｋ
Ｗ）との比を約７から約１２の間に設定すれば、電力貯
蔵設備と電力変換器の能力をほぼ過不足なく使って、有
効に電力ピークに対応でき、設備能力に無駄が出にくい
ことが分かった。両者の比が７よりも小さいと電力変換
器の能力に無駄を生じ、逆に両者の比が１２よりも大き
いと電力貯蔵設備の能力に無駄を生じ易い。なお、電力
変換器の能力は直交変換あるいは交直変換のうちの大き
い方の電力に合わせる必要がある。また、普通の電力消
費パターンでは、夜間の必要電力は昼間の電力ピークの
約５０％であるが、この値も場所，季節，気温などによ
って変動する。この変動に対処するには、発電設備を１
日中ほぼ一定の出力で運転する場合、電力変換器の入出
力容量を発電設備の発電容量の約２５％から約７５％の
範囲にすれば良く、こうすることにより、消費パターン
に沿った電力を各々の分散型発電システムから供給でき
る。電力変換器の容量が発電容量の２５％以下の場合に
は発電設備の能力が無駄になり、逆に７５％より大きい
と電力変換器の能力が無駄になり易い。このように、電
力貯蔵装置の電力貯蔵能力，電力変換器の入出力容量，
発電設備の発電容量を本発明の範囲内に選ぶことによ
り、設備能力に無駄が出にくく、従って比較的コンパク
トな設備で、電力ピーク対策が有効に行える。なお、図
５，図６の構成においては、直流−直流電力変換器３の
入出力容量と電力貯蔵設備の電力貯蔵能力との比、又
は、発電設備の発電容量の関係を図１と図２と同様に上
述の範囲とすれば良い。

【００１５】

【発明の実施の形態】図２に示す構成の分散型発電シス
テムにおいて、発電設備として出力２万ｋＷの火力発電
設備，電力変換器として容量０.５万ｋＷ のインバー
タ，電力貯蔵設備として電力貯蔵容量約３.５万ｋＷｈ
のナトリウム硫黄電池モジュールを用い、年間でピーク
電力が問題となる１００〜２００日の平日には２４ｈ中
２万ｋＷを発電し、発電設備からは変圧器を介して昼間
１６ｈは２万ｋＷを電力系統へ供給し、夜間８ｈは１.
５万ｋＷを電力系統へ、０.５万ｋＷは電力変換器を介
して電力貯蔵設備へ供給する。なお、電力変換器の効率
は普通片側約９５％，往復で約９０％で、ナトリウム硫
黄電池モジュールの効率が約９０％であるため、電力貯
蔵量は約３.４ 万ｋＷｈとなる。蓄えられた電力は昼間
１２ｈの間放電され、電力変換器と変圧器を介して、約
０.３ 万ｋＷが電力系統へ供給される。なお、この場
合、休日には電力使用量が少ないため、約１.５ 万ｋＷ
が１日中発電され、そのまま電力系統へ供給される。ま
た、電力使用状況によっては、年間の特定の日には電力
貯蔵設備に電力を蓄えることなく、昼間１６ｈは２万ｋ
Ｗ，夜間８ｈは１.５ 万ｋＷを発電し、そのまま電力系
統へ供給する運転パターンも可能である。但し、設備の
有効利用と電力ピーク対策の観点からはこのような日は
できるだけ設けないことが望ましく、発電設備の能力を
有効に使って定格出力で発電を継続し、夜間の余剰電力
は貯蔵して、昼間に放電する運転モードが望ましい。

【００１６】また、同じく図２に示す構成の分散型発電
システムにおいて、発電設備として出力１万ｋＷの火力
発電設備，変換器として容量０.７万 ｋＷのインバー
タ，電力貯蔵設備として電力貯蔵容量約７.２ 万ｋＷｈ
のナトリウム硫黄電池モジュールを用い、年間で特にピ
ーク電力が問題となる１００〜２００日の平日には24ｈ
中１万ｋＷを発電し、発電設備からは昼間１２ｈは１万
ｋＷ，夜間１２ｈは0.3万ｋＷを電力系統へ、０.７ 万
ｋＷを電力貯蔵設備へ供給する。電力貯蔵装置に貯蔵さ
れた電力量約７.２万ｋＷｈは昼間１２ｈの間放電さ
れ、約０.６万ｋＷの電力が電力系統へ供給される。な
おこの場合にも、休日には１日中０.３ 万ｋＷを発電
し、そのまま電力系統へ供給することができる。

【００１７】

【発明の効果】本発明により、発電設備を連続運転して
設備の稼働率を高めながら、目的とする消費パターンに
応じた電力を電力系統へ供給できる、電力ピーク対策に
有効な分散型発電システムが実現できる。また、電力貯
蔵装置の電力貯蔵能力，電力変換器の入出力容量，発電
設備の発電容量を本発明の範囲内に選ぶことにより、設
備能力に無駄が出にくく、従って比較的コンパクトな設
備で、電力ピーク対策が有効に行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の分散型発電システムの構成例を示す
図。

【図２】本発明の分散型発電システムの構成例を示す
図。

【図３】本発明の分散型発電システムの働きの例を示す
図。

【図４】本発明の分散型発電システムの働きの例を示す
図。

【図５】本発明の分散型発電システムの構成例を示す
図。

【図６】本発明の分散型発電システムの構成例を示す
図。

【符号の説明】

１…発電設備、２…電力貯蔵設備、３…電力変換器、
４，６…スイッチ、５…変圧器、７…電力系統、８…制
御・保護装置。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発電設備と、二次電池からなる電力貯蔵設
   備とを組み合わせた分散型発電システムにおいて、前記
   発電設備と前記電力貯蔵設備とが電力変換器を介して直
   接接続されると共に、変圧器とスイッチを介して電力系
   統へ接続されていることを特徴とする分散型発電システ
   ム。
2. 【請求項２】特許請求の範囲１において、前記発電設備
   と前記電力貯蔵設備とが変圧器とスイッチを介して別々
   に前記電力系統へ接続されていることを特徴とする分散
   型発電システム。
3. 【請求項３】特許請求の範囲１または２において、前記
   発電設備の夜間の発電電力が前記電力系統へ供給される
   電力よりも大きく、両者の差の電力が前記電力貯蔵設備
   へ貯蔵され、貯蔵された電力が昼間に前記電力系統へ供
   給されることを特徴とする分散型発電システム。
4. 【請求項４】特許請求の範囲１または２において、前記
   発電設備を１日中ほぼ一定出力で運転し、所定のパター
   ンに従って電力を前記電力系統へ供給すると共に、夜間
   の余剰電力を前記電力貯蔵設備に蓄え、貯蔵された電力
   を昼間に前記電力系統へ供給することを特徴とする分散
   型発電システム。
5. 【請求項５】特許請求の範囲１，２，３または４におい
   て、前記発電設備が火力発電設備又は燃料電池であり、
   前記電力貯蔵設備がナトリウム硫黄電池などの高温ナト
   リウム二次電池よりなる電力貯蔵設備であることを特徴
   とする分散型発電システム。
6. 【請求項６】特許請求の範囲１，２，３，４または５に
   おいて、前記電力貯蔵設備の電力貯蔵容量（ｋＷｈ）と
   前記電力変換器の入出力容量（ｋＷ）との比が約７〜１
   ２の範囲内にあることを特徴とする分散型発電システ
   ム。
7. 【請求項７】特許請求の範囲１，２，３，４，５または
   ６において、前記電力変換器の入出力容量が前記発電設
   備の発電容量の約２５％から約７５％の範囲にあること
   を特徴とする分散型発電システム。