(57)【要約】【課題】  商用系統から自立して自家発電設備を運転するにあたって、負荷変動に伴なって生じる不都合を取り除く運転方法を提供する。【解決手段】  正常時に商用系統に接続され商用系統の停電時などに商用系統から自立して原動機によって駆動される発電機と電力貯蔵手段と該電力貯蔵手段の充放電を制御する充放電制御装置を具備する自家発電設備の運転方法において、負荷増加を検出する（Ｓ２１）と電力貯蔵手段から放電して負荷の増加分を電力貯蔵手段に負担させ（Ｓ２２）、その後電力貯蔵手段の出力を発電機の許容変動負荷以下の速度で徐々に削減し（Ｓ２３）、電力貯蔵手段の出力が０となる（Ｓ２４）と負荷の分担処理を終了させ、発電機の出力周波数Ｆを監視し、出力周波数が低下したことを検出する（Ｓ２５）と、自家発電設備の出力を増加させ（Ｓ２６）、出力周波数が定格周波数に達する（Ｓ２７）と負荷分担処理を終了する。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正常時に商用系統に接続され商用系統の停電時等に商用系統から自立して原動機によって駆動される発電機と、電力貯蔵手段と、該電力貯蔵手段の充放電を制御する充放電制御装置を具備する自家発電設備の運転方法において、
負荷の増加を検出すると、前記電力貯蔵手段から出力（放電）して負荷の増加分を電力貯蔵手段に負担させ、その後、電力貯蔵手段の出力を発電機の許容変動負荷以下の速度で徐々に削減し、電力貯蔵手段の出力が０となると負荷の分担処理を終了させることにより、自家発電設備の負荷投入率を改善することを特徴とする自家発電設備の運転方法。
【請求項２】
請求項１記載の自家発電設備の運転方法において、発電機の出力周波数を監視し、出力周波数が低下したことを検出すると、自家発電設備の出力を増加させ、出力周波数が定格周波数に達すると負荷分担処理を終了することを特徴とする自家発電設備の運転方法。
【請求項３】
正常時に商用系統に接続され商用系統の停電時に商用系統から自立して原動機によって駆動される発電機と、電力貯蔵手段と、該電力貯蔵手段の充放電を制御する充放電制御装置を具備する自家発電設備の運転方法において、
負荷の減少を検出すると電力貯蔵手段に電力を入力（充電）し、その後、電力貯蔵手段の入力を発電機の許容変動負荷以下の速度で徐々に減少させ、電力貯蔵手段の入力が０となると負荷分担処理を終了することを特徴とする自家発電装置の運転方法。
【請求項４】
請求項３記載の自家発電設備の運転方法において、発電機の出力周波数を監視し、出力周波数が上昇したことを検出すると、自家発電設備の出力を減少させ、出力周波数が定格周波数に達すると負荷分担処理を終了することを特徴とする自家発電設備の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正常時に商用系統に接続され商用系統の停電時等に商用系統から自立して原動機によって駆動される発電機を有する自家発電設備（例えば、コージェネレーションシステム）における自立運転時の負荷変動に対応する運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
商用系統に接続された自家発電設備の構成の例を、図５を用いて説明する。自家発電設備１は、原動機１１と、該原動機１１によって駆動される発電機１２と、該発電機１２の出力の周波数を監視して前記原動機１１を周波数制御する周波数制御装置１３と、前記発電機１２の出力電圧を監視して発電機の出力電圧を制御する電圧制御装置１４とを有しており、構内配電線２に接続されている。構内配電線２は、商用系統３に系統分離遮断機２１によって分離可能に接続される。構内配電線２には、複数の負荷２２−１〜２２−５が負荷遮断機スイッチ２３−１〜２３−５を介して接続される。
【０００３】
ここで、負荷２２−１から負荷２２−３が無瞬断で電力を供給しなければならない負荷とし、負荷２２−４が重要負荷であり、負荷２２−５が一般負荷であるとする。
【０００４】
このような自家発電設備１が、商用系統３との系統連系でなく、系統分離いわゆる自立にて運転している場合、負荷２２の変動により、発電機１２の電圧や周波数が変動する。自家発電設備１には、ガバナーなどから構成される周波数制御装置１３と、ＡＶＲ（自動電圧調装置）などからなる電圧制御装置１４が具備されており、周波数と電圧が変動しても、規定値に収まるように制御される。この発電機の周波数制御装置１３と電圧制御装置１４による制御では、図６に示すように、数秒から数十秒の時間がかかる。
【０００５】
このようなシステムにおいては、発電機１２と負荷（電動機）２２の特性によるが、大きな負荷変動があると電圧や周波数の変動が大きく、発電機１２がトリップしたり、負荷機器２２が停止するという不具合がある。一般的に、許容負荷変動量は、定格容量の１０％〜３０％となっている。つまり、許容負荷変動量以上の負荷については、スターデルタ起動など、起動電流を抑制する起動方法にするなどの対策をとらなければ、自立運転時の負荷とすることができなかった。逆に、その負荷を自立運転時の負荷とするためには、自家発電設備の容量を大きくする必要があった。
【０００６】
このため、多くの負荷がある場合には、順次起動といった対策が必要となり、コスト高となっていた。また、自立運転時の自家発電設備の稼働率は、３〜７割程度に収められていた。そのため部分負荷運転となり、自立運転時の発電効率は低下していた。
【０００７】
このような問題に対処するために、内燃機関などの原動機によって駆動される発電機を用いた発電設備と、該発電設備で発電した電力を変換する電力変換装置と、前記発電設備で発電された電力を蓄える蓄電設備とを備えた自家発電設備において、前記発電設備の出力、前記蓄電設備の容量および負荷電力を検出して、該発電設備に出力を負荷の変動に追従して制御する制御装置を備えることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−１１２１７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記自家発電設備において、商用系統に停電が発生するなどにより商用系統から自立して自家発電設備を運転するときに、負荷変動に伴なって生じる不都合を取り除く運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、正常時に商用系統に接続され商用系統の停電時等に商用系統から自立して原動機によって駆動される発電機と、電力貯蔵手段と、該電力貯蔵手段の充放電を制御する充放電制御装置を具備する自家発電設備の運転方法において、負荷の増加を検出すると、前記電力貯蔵手段から出力（放電）して負荷の増加分を電力貯蔵手段に負担させ、その後、電力貯蔵手段の出力を発電機の許容変動負荷以下の速度で徐々に削減し、電力貯蔵手段の出力が０となると負荷の分担処理を終了させる。さらに、本発明は、上記自家発電設備の運転方法において、発電機の出力周波数を監視し、出力周波数が低下したことを検出すると、自家発電設備の出力を増加させ、出力周波数が定格周波数に達すると負荷分担処理を終了する。
【００１０】
本発明は、正常時に商用系統に接続され商用系統の停電時等に商用系統から自立して原動機によって駆動される発電機と、電力貯蔵手段と、該電力貯蔵手段の充放電を制御する充放電制御装置を具備する自家発電設備の運転方法において、負荷の減少を検出すると電力貯蔵手段に電力を入力（充電）し、その後、電力貯蔵手段の入力を発電機の許容変動負荷以下の速度で徐々に減少させ、電力貯蔵手段の入力が０となると負荷分担処理を終了する。さらに、本発明は、上記自家発電設備の運転方法において、発電機の出力周波数を監視し、出力周波数が上昇したことを検出すると、自家発電設備の出力を減少させ、出力周波数が定格周波数に達すると負荷分担処理を終了する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、自家発電設備に接続できる負荷の容量や数を増加させることができ、同じ負荷に対しては、必要とする自家発電設備１の容量を小さくすることができ、設備費を低減することができる。
【００１２】
さらに、本発明によれば、負荷の順次投入が不要となることから、設備費の低減と設備設計の簡素化が図られる。また、自立運転時の負荷の稼働率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明にかかる自家発電設備の商用系統非連系時における運転方法について、図を用いて説明する。図１を用いて、本発明が適用される回転型の自家発電設備に電力貯蔵手段を組み合わせた商用系統に連系される自家発電設備の発電部分の構成を説明する。
【００１４】
本発明にかかる運転方法が適用される自家発電設備１は、原動機１１と、該原動機１１によって駆動される発電機１２と、該発電機１２の出力の周波数を監視して前記原動機１１を周波数制御する周波数制御装置１３と、前記発電機１２の出力電圧を監視して発電機の出力電圧を制御する電圧制御装置１４と、電力を蓄えまたは放出可能な電力貯蔵手段１５と、該電力貯蔵手段１５の充放電を制御する充放電制御装置１６とを有しており、構内配電線２に接続されている。構内配電線２は、商用系統３に系統分離遮断機２１によって分離可能に接続される。構内配電線２には、複数の負荷２２−１〜２２−５が負荷遮断機スイッチ２３−１〜２３−５を介して接続される。
【００１５】
原動機１１としては、ガスエンジン、ガスタービンエンジン、ディーゼルエンジンなどを用いることができ、コージェネレーションシステムに適用することができる。
【００１６】
電力貯蔵手段１５は、電力を貯蔵する能力を有する手段であればどのような設備であってもよいが、例えば、鉛蓄電池、ニッケル水素蓄電池、リチウムイオン蓄電池キャパシタ、フライホイール等々を用いることができる。
【００１７】
電力貯蔵手段１５の充放電を制御する充放電制御装置１６は、電力貯蔵手段１５の直流電圧を交流電力に変換するとともに発電機１２の交流出力電力を直流電力に変換する電力変換装置を用いることができ、負荷の状態を監視する手段を有しており、負荷の状態によって、電力変換方向を変更することができる手段である。この制御は、発電設備１の負荷電力Ｐによる制御や、発電機１２の出力周波数によって制御することができる。
【００１８】
本発明は、自家発電設備に蓄電池などの電力貯蔵手段を組み合わせ、系統連系時に電力貯蔵手段に電力を貯蔵しておき、負荷が変動して発電機の許容電力を越える電力が要求される負荷変動時に電力貯蔵手段が負荷変動分を負担し、その後、自家発電設備が許容する負荷変動範囲の速度で電力貯蔵手段の負担分を徐々に削減し、電力貯蔵手段の負担分を発電機に移行させる。
【００１９】
すなわち、負荷増の場合、その増分電力を電力貯蔵手段が放電することによって供給し、その後放電量を徐々に少なくする。これにより、負荷量に対して発電量が少なくなるため、周波数が減少する。自家発電設備は、既に具備している周波数制御により出力を徐々に増加させることによって周波数を増加させる。最終的に電力貯蔵手段の放電を０とすることにより、負荷増分を自家発電設備に移行させることができる。自家発電設備の発電機出力の増加の速度を自家発電設備が追従できる最大速度以下とすれば、発電機がトリップすることなく、急激かつ大きな負荷の変動に対処することができる。
【００２０】
逆に、負荷減の場合、余剰となった発電機の出力を電力貯蔵手段に充電し、その後、電力貯蔵手段への充電を徐々に減少させる。これにより、負荷量に対して発電量が大きくなるため周波数が増加し、最終的に電力貯蔵手段の充電を０とすることにより、負荷減分を自家発電設備に移行することができる。
【００２１】
これにより、自家発電設備の許容する負荷変動を越える負荷変動が生じても、負荷変動を抑えることなく、自家発電設備の健全な運転が可能となる。また、自家発電設備の許容負荷変動以内の負荷変動に対しても、自家発電設備に対する変動を電力貯蔵手段によって緩和することにより、発電機の出力周波数および出力電圧の変動を抑えることが可能となる。
【００２２】
本発明による自家発電設備の運転方法は、遮断器２１が開放した系統分離時において適用される。すなわち、自家発電設備停止時は、遮断器２１を開放して自家発電設備を起動させた後の負荷２２−１〜２２−５投入時に、また自家発電設備連系運転中に商用系統に停電等が発生し、遮断器２１を開放した際は、負荷２２−１〜２２−５の変動時に、電力貯蔵手段の充放電により自家発電設備の負荷投入率を改善できる。
【００２３】
自家発電設備１は、自立運転時には、周波数制御装置（ガバナー）にて周波数一定、電圧制御装置（ＡＶＲ）に低電圧一定制御を行う。負荷が投入されると、発電機の出力周波数や電圧が下がる。その周波数を検出して、出力増や電圧増の制御を行い周波数や電圧が一定となる。従来の運転方法では、許容投入量以上の負荷が投入されると、周波数や電圧が下がりすぎ、保護装置が働き自家発電設備はトリップし、また、周波数や電圧の低下により負荷設備に影響がでるが、本発明では、負荷投入分を検出して、それと同じ容量をまず電力貯蔵手段から放電し、その後電力貯蔵手段は許容変動量以下の速度で出力を減少してゆく。
【００２４】
一般に自家発電設備の許容負荷変動率は、負荷増よりも負荷減が大きい。電力貯蔵手段の中には充電スピードが放電スピードに比べて遅いものがある。したがって、負荷変動時の負荷分担手法には、負荷増のときのみ電力貯蔵手段にて負担するケースと、負荷増と負荷減の双方で負担するケースが考えられる。
【００２５】
上記の負荷変動時の負荷分担手法のうち、負荷増のときのみ電力貯蔵手段にて負担するケースを、図２を用いて説明する。充放電制御装置１６は、負荷変動の有無を監視し（Ｓ１）、負荷変動ΔＰがあったときは、負荷の増加であるか否かを判断する（Ｓ２）。負荷変動が負荷の増加であったときは、電力貯蔵手段１５をΔＰ出力（放電）状態となるように制御する（Ｓ３）。その後、電力貯蔵手段の出力（放電）を発電設備に許容変動負荷以下の速度（Ｖａ（ｋｗ／ｓ））で徐々に減少させる（Ｓ４）。電力貯蔵手段１５の出力が０となったかを判断し（Ｓ５）、０となったときに、負荷変動分分担処理を終了する。
【００２６】
ステップＳ２において、負荷が減少したときには、周波数Ｆが上昇する（Ｓ６）ので、自家発電設備は自らの周波数制御に従い出力を減少させ（Ｓ７）、周波数Ｆが定格周波数に復帰したか否かを監視して（Ｓ８）、定格周波数に復帰すると、負荷変動分担処理を終了する。
【００２７】
ステップＳ４において、電力貯蔵手段の出力を低下させてゆく過程で、周波数Ｆが定格周波数よりも低下する（Ｓ９）と、自家発電設備は出力を増加させ（Ｓ１０）、周波数Ｆが定格周波数に復帰したかを監視し（Ｓ１１）、定格周波数に復帰すると、負荷変動分担処理を終了する。
【００２８】
図３を用いて、負荷増と負荷減の双方で電力貯蔵手段が負荷分担するケースを説明する。充放電制御青内１６は、負荷増が発生したか否かを判断し（Ｓ２１）、負荷増が発生すると、電力貯蔵手段１５が出力（放電）するよう制御する（Ｓ２２）。その後、電力貯蔵手段１５の出力（放電）を発電設備の許容変動負荷以下の速度で徐々に削減する（Ｓ２３）。電力貯蔵手段１５の出力が０になるか判定し（Ｓ２４）、出力が０になると負荷分担処理を終了させる。ステップＳ２３で発電機１２の出力周波数Ｆを監視し、周波数Ｆが、定格周波数以下に低下すると、自家発電設備が自動的に出力を増加させ（Ｓ２６）、周波数Ｆが定格集な数に達すると、負荷分担処理を終了する。
【００２９】
ステップＳ２１の判断で、負荷増がなかったときには、負加減が発生したか否かを監視する（Ｓ２８）。負加減が発生したときには、電力貯蔵手段１５が増加分の電力を蓄電するように制御し（Ｓ２９）、その後、電力貯蔵手段１５の入力（蓄電）を発電設備の許容変動負荷以下の速度で徐々に減少させ（Ｓ３０）、入力が０になる（Ｓ３１）と、負荷分担処理を終了する。
【００３０】
ステップＳ３０で、発電機１２の出力周波数を監視し周波数Ｆが上昇すると（Ｓ３２）、自家発電設備が自動的に出力を減少させ（Ｓ３３）、出力周波数Ｆが定格周波数に達すると（Ｓ３４）、負荷分担処理を終了する。
【００３１】
以上の処理による動作を、図４を用いて説明する。すなわち、負荷が増加すると、発電機１２の出力は電力貯蔵手段１５からの出力があるまでの一瞬の間負荷増の影響が出るが、電力貯蔵手段１５の出力により負荷増加前の出力に戻る。一方、電力貯蔵手段１５の出力は、一旦負荷増加分を出力した後、一定速度で出力を減少する。発電機１２の出力周波数Ｆが、周波数制御の不感帯Ｆｕ以下となると、発電機１２は、自らの周波数制御に従い許容変動負荷以下の速度で出力を増加させる。
【００３２】
以上のように、本発明は、商用系統が停電したなど自立運転の場合に効果を発揮するものである。したがって、通常時は、系統連系を行い電力貯蔵手段は、負荷平準化運転などの経済的な運転が可能である。
【００３３】
通常、自家発電設備１の許容負荷変動量は、原動機１１の特性にもよるが、無負荷状態で低格出力の２０〜３０％であり、８０％負荷状態で５％程度である。これに対して、本発明によれば、負荷変動分を電力貯蔵手段が一旦負担するので、自家発電設備１の許容負荷変動量は１００％近くに向上する。
【００３４】
このことによって、自家発電設備１に接続できる負荷の容量や数を増加させることができる。したがって、同じ負荷に対しては、費用とする自家発電設備１の容量を小さくすることができ、設備費を低減することができる。
【００３５】
さらに、本発明によれば、負荷の順次投入が不要となることから、自立運転時の負荷の稼働率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明にかかる運転方法が適用される自家発電設備の構成の概要を説明する図。
【図２】本発明にかかる自家発電設備の運転方法を説明するフローチャート（その１）。
【図３】本発明にかかる自家発電設備の運転方法を説明するフローチャート（その２）。
【図４】本発明にかかる自家発電設備の運転方法による自家発電設備の状態を説明する図。
【図５】従来の自家発電設備の構成の概要を説明する図。
【図６】従来の自家発電設備の運転方法による自家発電設備の状態を説明する図。
【符号の説明】
【００３７】
１：自家発電設備、１１：原動機、１２：発電機、１３：周波数制御装置、１４：電圧制御装置、１５：電力貯蔵手段、１６：充放電制御手段、２：構内配電線、２１：系統遮断機、２２：負荷、２３：負荷遮断機、３：商用系統。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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