(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を交流電力に変換するインバータ部の直流側に、交流電力を直流電力に変換するコンバータ部と、交流電力を直流電力に変換するとともに逆流を阻止する逆阻止型コンバータ部とを並列接続し、前記コンバータ部の交流側に、回転型原動機に連動連結した交流発電装置を接続するとともに、前記逆阻止型コンバータ部の交流側に商用電源を接続し、前記インバータ部の交流側に、回転数低下によって駆動電力を低減できる機器を接続するとともに、前記交流発電装置と前記コンバータ部との間に、定電圧定周波数で駆動するとともに必要電力が前記交流発電装置の定格値よりも小さい一般負荷を接続し、前記交流発電装置の発電量を検出する電力検出手段と、前記電力検出手段で検出する発電量が前記交流発電装置の定格値よりも小さいときに、前記コンバータ部の直流側に供給する電力量を、検出発電量が定格値になるまで増加し、定格値よりも大きいときには、検出発電量が定格値以下になるまで減少するように前記コンバータ部を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コジェネレーションシステムなどに用いるために、ガスエンジンやディーゼルエンジンやガスタービンあるいはスターリングエンジンといった回転型原動機に交流発電装置を連動連結し、交流発電装置で得られる発電電力と、商用電源からの電力とを供給できるように構成した発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の発電システムとしては、商用電力系統と、回転型原動機駆動の交流発電装置とを交流系統連系して使用するか、商用電力系統から切り離し、交流発電装置で負荷を直接駆動する、いわゆる独立運転が一般的であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、負荷としては、一般的に、ファンやモータなどのように、周波数制御による回転数低下によって駆動電力を低減できる機器が含まれることが多い。
このような機器の回転数を低下させようとすれば、独立運転の場合は、回転型原動機自身の回転数を低下させることによって可能であるが、系統連系の場合は、インバータを通して回転数を低下させなければならない。
【０００４】
しかしながら、交流発電装置で連結負荷を駆動し、駆動電力を回転数変化（周波数変化）によって低減しようとした場合、回転数を低下させるように制御するに伴って回転型原動機の回転数が低下し、それに略比例して回転型原動機の能力が低下するのみならず、それ以上に回転型原動機の動力が大幅に減少し、回転型原動機の利用率が低下してしまう欠点があり、さらにその場合、定周波数を必要とする負荷を駆動できないという欠点もあった。
【０００５】
また、交流発電装置を系統連系して、上記負荷をインバータ駆動によって回転数を変える場合、高価な系統連系保護装置が必要であり、さらに、交流発電装置として同期発電機を用いた場合、両者の電力の位相を合わせるために同期投入装置が必要となり、システム全体として高価になる欠点があった。
【０００６】
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、高価な系統連系保護装置や同期投入装置を用いることなく、負荷の仕様のいかんにかかわらず、汎用の交流発電装置を用いながら、回転型原動機の利用率を低下させずに、その発電電力を良好に供給できるようにし、さらに周波数低下を利用して省エネルギーを計りながら、定電圧定周波数の一般負荷をも駆動できるようにすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明の周波数可変型発電システムは、上述のような目的を達成するために、直流電力を交流電力に変換するインバータ部の直流側に、交流電力を直流電力に変換するコンバータ部と、交流電力を直流電力に変換するとともに逆流を阻止する逆阻止型コンバータ部とを並列接続し、前記コンバータ部の交流側に、回転型原動機に連動連結した交流発電装置を接続するとともに、前記逆阻止型コンバータ部の交流側に商用電源を接続し、前記インバータ部の交流側に、回転数低下によって駆動電力を低減できる機器を接続するとともに、前記交流発電装置と前記コンバータ部との間に、定電圧定周波数で駆動するとともに必要電力が前記交流発電装置の定格値よりも小さい一般負荷を接続し、前記交流発電装置の発電量を検出する電力検出手段と、前記電力検出手段で検出する発電量が前記交流発電装置の定格値よりも小さいときに、前記コンバータ部の直流側に供給する電力量を、検出発電量が定格値になるまで増加し、定格値よりも大きいときには、検出発電量が定格値以下になるまで減少するように前記コンバータ部を制御する制御手段を備えて構成する。
【０００８】
回転型原動機としては、ガスエンジンやディーゼルエンジンや蒸気タービンなどが用いられる。
また、回転数低下によって駆動電力を低減できる機器としては、空気調和システムを構成するファン、冷温水ポンプ、コンプレッサーとか、計装用空気のコンプレッサーなどが適用できる。
また、定電圧定周波数で駆動する一般負荷としては、照明設備やヒータなどが適用できる。
【００１０】
【作用】
請求項１に係る発明の発電システムの構成によれば、交流発電装置で発電した交流電力をコンバータ部で直流電力に変換した後、インバータ部で可変周波数の交流電力に変換し、逆阻止型コンバータ部を通じて供給される商用電源からの電力に優先して負荷に供給し、不足する分を商用電源からの電力によって賄う。
【００１１】
また、交流発電装置で発電した交流電力をコンバータ部で直流電力に変換した後、インバータ部で交流電力に変換してから、回転数低下によって駆動電力を低減できる機器に供給し、回転型原動機の回転数に関係なく機器の回転数を制御できる。
【００１２】
また、交流発電装置で発電した交流電力をコンバータ部で直流電力に変換した後に、逆阻止型コンバータ部を通じて供給される商用電源からの直流電力と合流させ、交流状態で合流させる場合のように、位相合わせのために同期させることを不要にし、商用電源による商用電力系統を保護するための系統連系保護装置も不要にする。
【００１３】
また、回転型原動機を一定回転数で駆動し、それにより交流発電装置で定電圧定周波数の発電電力を得て一般負荷に供給し、そこでの余剰分の電力の全量を、コンバータ部からインバータ部を経て負荷に供給する。ここで、電源投入などにより一般負荷での必要電力量が急激に増大し、エンジンが過負荷になりそうな時は、コンバータ部を制御して、交流発電装置から直流部へ流れ込む電流を停止し、過負荷を防止するとともに、逆阻止型コンバータ部を通じて、商用電源からの電力を直ちに負荷に供給し、負荷での周波数低下を防止できる。
【００１５】
【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。
【００１６】
図１は、本発明に係る発電システムの第１実施例を示す概略構成図であり、回転型原動機（ガスエンジン）１に、発電装置としての同期発電機２が連動連結されている。
【００１７】
同期発電機２に、交流電力を直流電力に変換するコンバータ部３の交流側が第１の電力出力線４を介して接続されている。第１の電力出力線４には、定電圧定周波数で駆動する一般負荷５が接続されている。
商用電源６に、交流電力を直流電力に変換するとともに逆流を阻止する逆阻止型コンバータ部７が第２の電力出力線８を介して接続されている。
【００１８】
直流電力を交流電力に変換するインバータ部９の直流側に、コンバータ部３および逆阻止型コンバータ部７それぞれの直流側が、電力線１０と第１および第２の分岐電力線１０ａ，１０ｂを介して接続されている。電力線１０には平滑コンデンサ１１が接続されている。
【００１９】
インバータ部９には、空気調和システムを構成する冷水ポンプを駆動するポンプ用電動機とかファンを駆動するファン用電動機などの、回転数低下によって駆動電力を低減できる機器としての熱搬送機器負荷１２が、第３の電力出力線１３を介して接続されている。
【００２０】
同期発電機２の定格値が、一般負荷５と熱搬送機器負荷１２等で要求される電力量を合計した、システム全体で要求される最小電力量よりも小さくかつその最小電力量に近い電力量を発生するように設定されている。すなわち、必要最小電力量に近い定格値の汎用の同期発電機２が選択される。
【００２１】
第１の電力出力線４に、コンバータ部３の交流側の電力を検出する電力検出手段１４が設けられている。電力検出手段１４は、電流トランスデューサ１４ａと電圧トランスデューサ１４ｂとから構成されている。
【００２２】
電流トランスデューサ１４ａおよび電圧トランスデューサ１４ｂが、制御手段としてのコントローラ１５に接続されるとともに、コントローラ１５がコンバータ部３に接続されている。コントローラ１５では、電力検出手段１４で検出する発電量が同期発電機２の定格値よりも小さいときに、コンバータ部３をスイッチング制御して、コンバータ部３の直流側に供給する電力量を、検出発電量が定格値になるまで増加し、定格値よりも大きいときには、検出発電量が定格値以下になるまで減少するようになっている。
これにより、同期発電機２の発電電力を、商用電源６からの電力に優先して熱搬送機器負荷１２に供給できるようになっている。
【００２３】
電力線１０に、直流電圧を検出する電圧計１６が設けられ、この電圧計１６がコントローラ１５に接続され、直流電圧が設定値を越えた場合にコンバータ部３をスイッチング制御して、同期発電機２からの電力が流入することを阻止し、電圧増大に起因する平滑コンデンサ１１の破損を防止するようになっている。
【００２４】
以上の構成により、図２のグラフに示すように、一般負荷５で必要とする電力量Ｐ１に変動があっても、その全量を同期発電機２の発電電力量Ｐによって賄うことができる。そして、余剰分の電力量ΔＰを熱搬送機器負荷１２に供給し、熱搬送機器負荷１２で必要とする電力量Ｐ２との差分、すなわち、不足した電力量Ｐ３を商用電源６からの電力によって賄い、熱搬送機器負荷１２での負荷変動に対応させることができる。
【００２５】
上記第１実施例によれば、次のような効果を有する。
▲１▼商用電源６からの交流電力を逆阻止型コンバータ部７を通じて直流電力に変換するから、同期発電機２からの発電電力の商用電源６側への逆潮流を、高価な系統連系保護装置を用いずに防止できる。
▲２▼回転型原動機１を効率の高い定格負荷で駆動して同期発電機２の発電効率を高い状態に維持しながら、その発電電力の全量を一般負荷５と熱搬送機器負荷１２に供給できる。また、回転数を定格回転数に維持しているため、回転型原動機２の能力が低下することもない。
▲３▼一般負荷５において、電源投入などに際して必要電力量が急激に増大しても、そのことは、電力検出手段１４の構成要素を使って、電圧または周波数の低下として検出し、同期発電機２側からコンバータ部３を通して流れ込む電流を減少または停止することによって回転型原動機１の過負荷を防止する。また、その際、同期発電機２から熱搬送機器負荷１２に供給される電力量の急激な減少分の電力を商用電源６から即座に補って熱搬送機器負荷１２に供給するから、一般負荷５での必要電力量の急激な増大に対する応答性に優れ、熱搬送機器負荷１２における周波数低下を防止できる。
▲４▼同期発電機２からの交流電力をコンバータ部３で直流電力に変換し、かつ、商用電源６からの交流電力を逆阻止型コンバータ部７で直流電力に変換し、直流状態で合流するから、交流状態で合流する場合のような同期投入装置を不要にできる。
【００２９】
図３は、本発明に係る発電システムの第２実施例を示す概略構成図であり、第１実施例と異なるところは次の通りである。
すなわち、コンバータ部３に代えて、コントローラ１５を逆阻止コンバータ部７に接続し、逆阻止コンバータ部７を通じて供給される電力量をスイッチング制御し、同期発電機２からの電力を商用電源６からの電力に優先して熱搬送機器負荷１２に供給するように構成している。他の構成は第１実施例と同じである。
【００３０】
前述第１および第２実施例において、コンバータ部３と逆阻止コンバータ部７とインバータ部９と平滑コンデンサ１１とは、汎用インバータを改造したひとつのインバータセット１８（図１および図３参照）として組むことができるものである。
【００３１】
図４は、本発明に係る発電システムの応用例を示す概略構成図であり、第１実施例と異なるところは次の通りである。
すなわち、熱搬送機器負荷として安定駆動時の周波数が異なるブロワー１９とファン２０とを用いる場合に、それぞれ個別のインバータセット１８を介して同期発電機２が接続されるとともに、各インバータセット１８に商用電源６が接続されている。
【００３２】
同期発電機２と、両インバータセット１８，１８への分岐箇所とを接続する第１の電力出力線部分４ａに、定電圧定周波数で駆動する照明設備２１が接続されている。図示しないが、第１の電力出力線部分４ａ、および、第１の電力出力線部分４ａの端部と各インバータセット１８のコンバータ部３とを接続する第１の電力出力線部分４ｂ，４ｂそれぞれに、前述同様の電力検出手段が設けられ、第１実施例と同様に、同期発電機２の発電電力を、商用電源６からの電力に優先して熱搬送機器負荷１２に供給できるように構成されている。
【００３３】
この応用例によれば、ブロワー１９とファン２０とを個別に周波数制御する場合に、その周波数の変動の影響が相互に及ぼし合うことを回避できる。
【００３４】
また、上記実施例では、交流発電装置として同期発電機２を用いているが、誘導発電機を用いても良い。その場合、コンバータ部３を逆流可能なものに構成し、誘導発電機の必要とする無効電力を供給すれば良い。
【００３５】
本発明としては、例えば、燃料電池や太陽発電装置などを電力線１０に接続し、発電によって得られる直流電力をも利用するようにしても良い。
【００３６】
また、本発明としては、回転型原動機１として、上述実施例のようなガスエンジンに限らず、ディーゼルエンジンや蒸気タービンやガスタービンやスターリングエンジンなどが適用できる。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１に係る発明の発電システムによれば、交流発電装置の定格値となる電力を負荷に優先的に供給しながら、不足する分を商用電源からの電力によって賄うから、システムで要求される負荷よりも小さい、汎用の定格値の交流発電装置を容易に選択して使用でき、システムを安価に構成できる。
また、交流発電装置で発電した交流電力をコンバータ部で直流電力に変換した後、インバータ部で交流電力に変換して負荷に供給するから、負荷の一部に回転数低下によって駆動電力を低減できる機器を使用したとしても、その回転数の変化のいかんにかかわらず、回転型原動機を一定回転数で駆動でき、負荷の仕様のいかんにかかわらず、回転型原動機の利用率を低下させずに、交流発電装置で効率良く発電した交流電力を良好に供給できる。また、定周波数の一般負荷については、交流発電装置の出力線に直接に接続するから、インバータロスが発生しない。
また、商用電源からの交流電力を逆阻止型コンバータ部を通じて直流電力に変換した後、インバータ部で交流電力に変換して負荷に供給するから、交流発電装置側からの逆潮流を防止する高価な系統連系保護装置を不要にできて安価である。
【００３８】
また、交流発電装置で発電した交流電力をコンバータ部で直流電力に変換した後、インバータ部で交流電力に変換してから、回転数低下によって駆動電力を低減できる機器に供給し、回転型原動機の回転数に関係なく機器の回転数を制御できるから、回転型原動機を利用率の高い状態に維持しながら機器の駆動電力を低減でき、商用電源から賄う電力量を極力少なくし、電力消費量を良好に低減できて経済的である。
【００３９】
また、交流発電装置で発電した交流電力をコンバータ部で直流電力に変換した後に、逆阻止型コンバータ部を通じて供給される商用電源からの直流電力と合流させるから、交流状態で合流させる場合のような同期投入装置を不要にでき、発電システムをより安価に構成できる。
【００４０】
また、回転型原動機を一定回転数で駆動し、それにより交流発電装置で定電圧定周波数の発電電力を得て一般負荷に供給し、電源投入などにより一般負荷での必要電力量が急激に増大しても、増大分は発電電力によって賄いながら、それに伴う機器への供給電力量の急激な減少分を、商用電源からの電力によって即座に賄うことができるから、電源投入時などの一般負荷での必要電力量の急激な増加に伴う機器での周波数低下を応答性良好に防止しながら、一般負荷に良好に電力を供給して定電圧定周波数で駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る発電システムの第１実施例を示す概略構成図である。
【図２】  必要電力量の経時的変化を示すグラフである。
【図３】  本発明に係る発電システムの第２実施例を示す概略構成図である。
【図４】  本発明に係る発電システムの応用例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１…回転型原動機（ガスエンジン）
２…交流発電装置としての同期発電機
３…コンバータ部
４…第１の電力出力線
５…一般負荷
６…商用電源
７…逆阻止型コンバータ部
９…インバータ部
１２…熱搬送機器負荷
１４…電力検出手段
１５…制御手段としてのコントローラ
１９…機器としてのブロワー
２０…機器としてのファン
２１…一般負荷としての照明設備
【図１】
0003862393.tif 000002
【図２】
0003862393.tif 000003
【図３】
0003862393.tif 000004
【図４】
0003862393.tif 000005