発電システム
【課題】 自立運転時においてもなるべく利用可能な負荷（電力機器）が制限されないような発電システムを提供する。
【解決手段】 外部からエネルギ源の供給を受けて発電する発電機１２と、電力負荷６２に対して、少なくとも商用電源６０から電力が供給される第１状態と、商用電源６０からは電力が供給されず発電機１２の発電電力が供給される第２状態とを切換可能に構成された接続切換部５０と、発電機１２の出力制御を行う制御部１８と、を備えてなり、制御部１８が、前記第１状態の下では前記発電機の出力電圧を定格の第１電圧とし、前記第１状態から前記第２状態に切り換えられた後、前記発電機の出力電圧を前記第１電圧より低い第２電圧とする。
【解決手段】 外部からエネルギ源の供給を受けて発電する発電機１２と、電力負荷６２に対して、少なくとも商用電源６０から電力が供給される第１状態と、商用電源６０からは電力が供給されず発電機１２の発電電力が供給される第２状態とを切換可能に構成された接続切換部５０と、発電機１２の出力制御を行う制御部１８と、を備えてなり、制御部１８が、前記第１状態の下では前記発電機の出力電圧を定格の第１電圧とし、前記第１状態から前記第２状態に切り換えられた後、前記発電機の出力電圧を前記第１電圧より低い第２電圧とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システムに関し、特に、発電機を有すると共に、所定の電力負荷に対して少なくとも商用電源から電力が供給される第１状態と、前記所定の電力負荷に対して前記商用電源からは電力が供給されず前記発電機の発電電力が供給される第２状態とを切換可能に構成された発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＯ２排出量の削減や省エネルギを志向した分散型エネルギシステムの開発が行われており、実用化も進んできている。今後は、一般家庭、集合住宅、オフィス等においても電力消費エリアで発電を行う分散型発電システムの利用が進むものと考えられる。例えば、熱電併給可能なガスエンジンコジェネレーションシステムは、電力のみならず発電時に生ずる熱エネルギについても同時に有効利用できるため、全体的なエネルギ効率を向上させることができる点において注目を集めており、近年では、発電時に生じる熱を有効活用するための制御方法について、開発が行われているところである（例えば下記特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２４００１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記のようなガスエンジンコジェネレーションシステムを初めとする分散型発電システムは、発電時に系統連系して負荷に電力を供給することが想定されている一方、系統の停電時には、一部の負荷に対して発電機のみから電力供給が可能となるように構成されている。このように系統に連系されずに発電機が運転されている状態を「自立運転」という。
【０００５】
系統が停電して自立運転状態へ移行した場合、自立運転時においても電力供給が可能な所定の負荷に対してのみ当該発電機から電力供給が行われる。これは、あらゆる負荷に対して発電機からの電力供給を可能に構成した場合、発電機からの出力のみでは電力を完全に賄うことができない恐れがあることから、自立運転時には、一般的には相対的に重要な負荷に対してのみ電力が供給される構成としていることによる。即ち、自立運転時には、一定の限られた負荷（電力機器）のみが利用可能となる結果、利用できない負荷が数多く存在するという状況となる。しかし、家庭等の一般需要者にとってみれば、自立運転時においてもなるべく利用可能な負荷の制限がない状態が好ましく、制限されるとしてもできるだけその制限が緩やかな方が好ましい。
【０００６】
特に、系統が停電した状態というのは、一般的に非常事態であるため、一般需要者にしてみれば、どの負荷が利用可能であってどの負荷が利用不可能であるかということについての認識が薄れる可能性もあり、突発的に使用したくなった機器の運転を開始しようとしても運転が行われないという事態が生じたり、場合によってはそのような事態が連続的に起こり得る。このような事態が発生すると、ただでさえ停電時という状況において一定の心理的ストレスが発生している可能性が考えられる中、更なるストレスを追加的に誘発する懸念もある。
【０００７】
本発明は上記の問題点に鑑み、自立運転時においてもなるべく利用可能な負荷（電力機器）が制限されないような発電システム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】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明に係る発電システムは、外部からエネルギ源の供給を受けて発電する発電機と、所定の電力負荷に対して、商用電源と前記発電機の内の少なくとも商用電源から電力が供給される第１状態と、前記所定の電力負荷に対して前記商用電源からは電力が供給されず前記発電機の発電電力が供給される第２状態とを切換可能に構成された接続切換部と、前記発電機の出力制御を行う制御部と、を備えてなり、前記制御部が、前記第１状態の下では前記発電機の出力電圧を定格の第１電圧とし、前記第１状態から前記第２状態に切り換えられた後、前記発電機の出力電圧を前記第１電圧より低い第２電圧とすることを第１の特徴とする。
【０００９】
自立運転時には発電機の発電電力で全ての負荷を賄う必要があるため、従来、定格出力時に賄えない電力負荷については自立負荷として利用することができなかった。又、発電機の定格出力よりは負荷の出力が小さいものの、その差が微差であり、他の負荷と組み合わせて使用されることで直ちに電力負荷の合計が発電機の出力を上回る可能性の高い機器についても、同様に自立負荷としては利用の対象から外されることが通常であった。
【００１０】
これに対し、本発明に係る発電システムの上記第１の特徴構成によれば、商用電源からの電力が負荷に対して供給されない状態となった後、発電機の出力電圧が第２電圧に低下される構成であるため、自立運転時における負荷側での出力が通常時よりも低下する。一方で、発電機の出力は影響を受けないため、商用電源からの電力供給がない場合であっても、事実上、発電機からの電力のみによって電力供給可能な負荷を増やすことができ、言い換えれば、従来構成よりも自立運転時における負荷の利用制限を緩和することができる。
【００１１】
又、本発明に係る発電システムは、外部からエネルギ源の供給を受けて発電する発電機と、所定の電力負荷に対して少なくとも商用電源を含む電力が供給される第１状態と、前記所定の電力負荷に対して前記商用電源からは電力が供給されず前記発電機の発電電力が供給される第２状態とを切換可能に構成された接続切換部と、前記発電機の出力制御を行う制御部と、を備えてなり、前記制御部が、前記第１状態の下では前記発電機の出力電圧の周波数を定格の第１周波数とし、前記第１状態から前記第２状態に切り換えられた後、前記発電機の出力電圧の周波数を前記第１周波数より低い第２周波数とすることを第２の特徴とする。
【００１２】
本発明に係る発電システムの上記第２の特徴構成によれば、商用電源からの電力が負荷に対して供給されない状態となった後、発電機の出力電圧の周波数が第２周波数に低下される。これにより、通常時に比べて電力負荷の消費電力が低下する。このため、上記第１の特徴構成と同様、商用電源からの電力供給がない場合であっても、事実上、発電機からの電力のみによって電力供給可能な負荷を増やすことができ、言い換えれば、従来構成よりも自立運転時における負荷の利用制限を緩和することができる。
【００１３】
又、本発明に係る発電システムは、上記第２の特徴構成に加えて、前記制御部が、前記第１状態の下では前記発電機の出力電圧を第１電圧とし、前記第１状態から前記第２状態に切り換えられた後、前記発電機の出力電圧を前記第１電圧より低い第２電圧とすることを第３の特徴とする。
【００１４】
又、本発明に係る発電システムは、上記第２又は第３の特徴構成に加えて、前記第１周波数が６０Ｈｚで、前記第２周波数が５０Ｈｚであることを第４の特徴とする。
【００１５】
電力負荷においては、５０Ｈｚと６０Ｈｚのみに運転動作が対応しているものが存在する。従って、上記第４の特徴構成によれば、６０Ｈｚ管内の地域において、自立運転時に５０Ｈｚとなるため、負荷の運転動作を一定レベル内に保証しつつ、従来構成よりも自立運転時における負荷の利用制限を緩和することができる。
【００１６】
又、本発明に係る発電システムは、上記第１〜第４の何れか一の特徴構成に加えて、前記発電機の出力電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記コンバータから出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータとを備え、前記インバータからの出力電圧が前記所定の電力負荷に対して供給可能に構成されており、前記制御部が、前記インバータから出力される交流電圧の電圧又は周波数を設定することを第５の特徴とする。
【００１７】
又、本発明に係る発電システムは、上記第１〜第５の何れか一の特徴構成に加えて、前記接続切換部が、前記第１状態と前記第２状態との間で状態変化したことを示す信号を前記制御部に対して送信する構成であることを第６の特徴とする。
【００１８】
又、本発明に係る発電システムは、上記第１〜第６の何れか一の特徴構成に加えて、前記発電機が、燃料ガスの供給を受けて発電するガスエンジン発電機であることを第７の特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の構成によれば、発電機が自立運転時に利用可能な負荷制限が緩和された発電システムを実現することができる。。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下において、本発明に係る発電システム（以下、適宜「本発明システム」という）の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、本発明システムの概略構成を示すブロック図である。又、図２は、本発明システム１の排熱回収及び給湯及び暖房負荷に対する熱供給に係るシステム構成を示すブロック図である。
【００２２】
図１及び図２に示すように、本発明システム１は、外部から燃料供給を受けて発電する発電ユニット１０と、発電ユニット１０の運転時に発生する排熱を回収して給湯負荷７０と暖房端末７１に供給する排熱利用給湯暖房ユニット２０を備えて構成される。
【００２３】
図１に示すように、発電ユニット１０は、都市ガスを燃料として作動するガスエンジン１１、ガスエンジン１１によって駆動される発電機１２、発電機１２の発電電力を所定の電気方式の出力電圧と周波数の交流電力に変換する電力変換部１３、発電ユニット１０の運転並びに出力制御を行う制御部１８、及び、ガスエンジン１１の排熱との熱交換により冷却水を加熱して排熱利用給湯暖房ユニット２０側に供給する熱交換器１９を備えて構成されている。排熱利用給湯暖房ユニット２０には、熱交換器１９で回収された排熱を利用する排熱利用部２０ａが設けられており、熱交換器１９と排熱利用部２０ａの間に、排熱回収冷却液循環配管２２と、排熱回収冷却液循環配管２２内の冷却液を循環させる循環ポンプ（電動冷却液ポンプ）３３が備えられ、熱交換器１９で回収された排熱が排熱利用部２０ａに伝達される構成となっている。
【００２４】
又、電力変換部１３は、発電機１２の出力端の交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ１４と、コンバータ１４から出力される直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ１５とを備える。尚、コンバータ１４、インバータ１５は、何れも双方向に電圧変換可能な構成とする。
【００２５】
又、図２に示すように、排熱利用給湯暖房ユニット２０は、貯湯タンク２１、排熱回収冷却液循環配管２２、温水循環配管２３、排熱回収熱交換器２４、給湯出力配管２５、暖房出力循環配管２６、暖房熱交換器２７、給水配管２８、暖房端末循環配管２９、暖房端末分岐配管３０、補助熱源３１、及び制御部３２を備えて構成される。又、各配管には、必要に応じて、循環ポンプ３３〜３５、開閉弁３６、三方弁３７、三方弁３８、逆止弁、圧力調整弁、温度センサ、圧力センサ、流量計等が介装されている。
【００２６】
貯湯タンク２１は、発電ユニット１０の排熱回収により加熱された温水を貯湯することで、回収した排熱を蓄熱可能に構成され、更に、内部に介装された温度センサ（不図示）や水位センサ（不図示）等の貯湯量検出手段によって貯湯量を検出可能に構成されている。又、貯湯タンク２１の底部には、貯湯タンク２１から給湯負荷７０に温水が供給された場合に、上水道等の給水源（図示せず）から貯湯タンク２１内に給水補充するための給水配管２８が接続されている。
【００２７】
排熱回収冷却液循環配管２２は、発電ユニット１０内の熱交換器１９と排熱回収熱交換器２４間を連絡する往路と復路を構成する循環回路である。排熱回収熱交換器２４は、排熱回収冷却液循環配管２２内を循環する排熱回収冷却液であるジャケット冷却水と温水循環配管２３内を循環する温水の間の熱交換を行う熱交換器であり、１次側に排熱回収冷却液循環配管２２が接続し、２次側に温水循環配管２３が接続する。温水循環配管２３は、貯湯タンク２１の下部から取り出した温水を、排熱回収熱交換器２４で加熱して、貯湯タンク２１の上部に戻して循環させる循環回路である。
【００２８】
以上の構成によって、排熱回収冷却液循環配管２２内のジャケット冷却水を循環ポンプ３３で循環させ、温水循環配管２３内の温水を循環ポンプ３４で循環させることによって、熱交換器１９において発電ユニット１０内の排熱を回収して冷却水を加熱し、更に、排熱回収熱交換器２４において加熱された冷却水の熱を回収して温水循環配管２３を循環する温水を加熱して貯湯タンク２１に供給することができる。つまり、回収された発電ユニット１０の排熱が、貯湯タンク２１に蓄熱されることになる。
【００２９】
更に、排熱利用給湯暖房ユニット２０は、温水循環配管２３の途中にガス等を燃料とする給湯器等の補助熱源３１が介装されており、発電ユニット１０から回収した排熱では熱量が不足する場合に、その不足熱量を補充可能となっている。
【００３０】
給湯出力配管２５は、風呂の浴槽やシャワ、台所や洗面所の給湯栓等の給湯負荷７０に対して給湯出力するための配管で、必要に応じて下流側で上水道からの給水と混合して給湯される。
【００３１】
暖房出力循環配管２６は、温水循環配管２３の下流側の貯湯タンク２１の上部付近の上部分岐点と、温水循環配管２３の上流側の貯湯タンク２１の下部付近の下部分岐点との間を、暖房熱交換器２７を介して接続する配管で、温水循環配管２３と暖房出力循環配管２６により途中に排熱回収熱交換器２４と暖房熱交換器２７の２つの熱交換器を配した循環回路が構成される。暖房熱交換器２７は、暖房出力循環配管２６内を循環する温水と暖房端末循環配管２９内を循環する熱媒体（温水）の間の熱交換を行う熱交換器であり、１次側に暖房出力循環配管２６が接続し、２次側に暖房端末循環配管２９が接続する。暖房端末循環配管２９は、暖房熱交換器２７と、床暖房配管や浴室暖房乾燥機等の暖房端末７１間を連絡する往路と復路を構成する循環回路である。
【００３２】
以上の構成によって、温水循環配管２３と暖房出力循環配管２６内の温水を循環ポンプ３４で循環させ、暖房端末循環配管２９内の熱媒体（温水）を循環ポンプ３５で循環させることで、排熱回収熱交換器２４で加熱された高温水により、暖房熱交換器２７において、暖房端末循環配管２９内を循環する熱媒体を加熱して暖房端末７１に供給することができる。つまり、回収された発電ユニット１０の排熱が、暖房端末７１で消費され、有効利用されることになる。
【００３３】
又、排熱回収冷却液循環配管２２の往路と復路の夫々に三方弁３７、３８を介装し、又、暖房端末循環配管２９の復路の途中に開閉弁３６を介装し、暖房端末分岐配管３０を、三方弁３７と開閉弁３６の上流側の間と、三方弁３８と開閉弁３６の下流側の間に夫々配している。これにより、発電ユニット１０内の熱交換器１９において排熱回収して加熱された冷却水を熱媒体として暖房端末循環配管２９に直接供給可能となるため、温水循環配管２３と暖房出力循環配管２６を経由する場合に比べて高効率で、発電ユニット１０の排熱が回収され暖房端末７１に供給可能となる。
【００３４】
再び図１に戻り、発電ユニット１０は一般家庭用に単相３線式正弦波出力の１００Ｖ／２００Ｖを出力する。又、発電ユニット１０の端子１０ａは、発電ユニット１０の定常運転時には発電電力の出力端子として機能し、同ユニット１０の起動時にはガスエンジン１１の始動用電源の供給を外部から受けるための入力端子として機能する。又、発電ユニット１０の起動時は、発電機１２がガスエンジン１１のスタータモータとして機能し、外部から入力される交流電圧を、電力変換部１３を介して発電機１２に供給し、発電機１２の回転運動によりガスエンジン１１の始動を行うように構成されている。
【００３５】
制御部１８はマイクロコンピュータ等を用いて構成され、発電ユニット１０の定常運転時の出力制御や起動時のガスエンジン１１の始動制御、並びに電力変換部１３の変換制御を行う。又、排熱利用給湯暖房ユニット２０の制御部３２からの制御信号を取得可能に構成されており、かかる信号に基づいてガスエンジン１１及び発電機１２の制御が可能な構成である。制御部１８の詳細な説明は後述する。
【００３６】
発電ユニット１０の発電電力は、商用電源６０（単相３線式１００Ｖ／２００Ｖ）と系統連系して、電力負荷６１、６２に電力供給可能に構成されている。具体的には、商用電源６０と発電ユニット１０は、第１分電盤４０と第２分電盤４１を介して相互に接続する構成である。第１分電盤４０には、商用電源６０の停電時（系統停電時）に使用不可となる電力負荷６１が接続し、第２分電盤４１には、系統停電時においても使用可能となる電力負荷６２が接続する。又、電力負荷６１と排熱利用給湯暖房ユニット２０の制御部３２は、系統停電時には、発電ユニット１０の自立運転によって電力供給される自立運転時電力負荷となる。
【００３７】
第１分電盤４０には、単相３線式電力線（１φ３Ｗ）の両端に主幹ブレーカ４２とブレーカ４３が設けられ、その途中に複数の分岐ブレーカ４４と２つの変流器４５が設けられている。主幹ブレーカ４２側に商用電源６０が接続し、ブレーカ４３側に第２分電盤４１が接続し、各分岐ブレーカ４４に電力負荷６１が接続する。変流器４５は、発電ユニット１０から商用電源６０に向けた逆潮流並びに系統停電の検出に用いられ、検出信号は制御部１８に入力される。
【００３８】
第２分電盤４１には、２つのスイッチ４７、４８と複数の分岐ブレーカ４６が設けられている。スイッチ４７はオンオフスイッチ（開閉スイッチ）で、１次側が単相３線式電力線（１φ３Ｗ）を介して第１分電盤４０のブレーカ４３に接続し、２次側が単相３線式電力線（１φ３Ｗ）を介して発電ユニット１０の系統正常時に使用する端子１０ａに接続している。スイッチ４８は２入力切替スイッチで、一方の入力端が単相２線式電力線（１φ２Ｗ）を介してスイッチ４７の１次側と接続し、他方の入力端が単相２線式電力線（１φ２Ｗ）を介して発電ユニット１０の系統停電時に使用する端子１０ｂに接続し、出力端が単相２線式電力線（１φ２Ｗ）を介して各分岐ブレーカ４６と接続する。発電ユニット１０は、系統正常時には、端子１０ａから単相３線式１００Ｖ／２００Ｖを出力し、系統停電時には、端子１０ｂから単相２線式１００Ｖを出力する。
【００３９】
尚、端子１０ａと１０ｂの接続切換を行うためのスイッチ５１及び５２、並びに、前記スイッチ４７及び４８を含めて接続切換部５０と称し、接続切換部５０内の各スイッチが、制御部１８からの制御信号を受けて切換制御される構成である。制御部１８は、マイクロコンピュータ等を用いて構成され、発電ユニット１０の定常運転時の出力制御や、系統正常時及び系統停電時における接続切換部５０の切換制御、及びガスエンジン１１の始動制御等を行う。
【００４０】
系統正常時には、スイッチ４７はオン状態（閉状態）となり商用電源６０と発電ユニット１０の端子１０ａが接続して系統連系され、スイッチ４８は負荷６２側が商用電源６０側に接続し、スイッチ４７の１次側、つまり、商用電源６０と発電ユニット１０の端子１０ａが分岐ブレーカ４６と接続する。これに対し、系統停電時には、スイッチ４７はオフ状態（開状態）となり商用電源６０と発電ユニット１０の間の接続が遮断され、スイッチ４８は負荷６２側が発電ユニット１０側に接続し、発電ユニット１０の端子１０ｂが分岐ブレーカ４６と接続する。
【００４１】
又、本発明システム１は、系統停電時に発電ユニット１０を強制的に運転させるための操作スイッチ４９を備える。かかる操作スイッチ４９が利用者によって操作されると、強制運転信号が操作スイッチ４９から発電ユニット１０の制御部１８に入力され、制御部１８は、強制運転信号に応じて接続切換部５０の切換制御を行う。
【００４２】
具体的には、制御部１８は、接続切換部５０に対し、系統正常時には、スイッチ４７をオン、スイッチ４８を商用電源６０側に接続、スイッチ５１をオン、スイッチ５２をオフとする制御を行う。これにより、商用電源６０と発電ユニット１０の端子１０ａが系統連系し、全ての電力負荷への電力供給が可能となる。又、系統停電時には、制御部１８は、接続切換部５０に対し、スイッチ４７をオフ、スイッチ４８を発電ユニット１０側へ接続、スイッチ５１をオフ、スイッチ５２をオンとする制御を行う。これにより、商用電源６０と発電ユニット１０との系統連系が解除されると共に、発電ユニット１０の発電電力が電力負荷６２に対して供給される。
【００４３】
上述したように、電力変換部１３は、発電機１２からの発電電力を、所定周波数及び所定電圧を示す交流電力に変換して出力する。このとき、制御部１８によって出力電力に関する周波数・電圧の設定が行われる。例えば、６０Ｈｚ系統管内であれば、通常運転時における設定周波数を６０Ｈｚとし、設定電圧を１００／２００Ｖとすることで、商用電源６０との系統連系を可能にしている。
【００４４】
更に、制御部１８は、自立運転時に電力変換部１３に対して設定電圧を低下させる制御（以下、「自立運転制御」という）を行う。図３は、制御部１８の有する機能の内、自立運転制御を作動させるための構成要素を示すブロック図である。
【００４５】
図３に示す制御部１８は、状態信号入力受付部９０、記憶部９１、制御内容決定部９２、及び制御信号出力部９３を備える。
【００４６】
状態信号入力受付部９０は、発電ユニット１０が自立運転状態にあるか否かを示す状態信号を受け付ける。具体的には、制御部１８から発電機１２の運転状態、及び接続切換部５０内の各スイッチの接続状態を示す信号が、状態信号として状態信号入力受付部９０に送られる構成とすることができる。
【００４７】
ここで、発電ユニット１０が自立運転状態にない場合（以下、「第１状態」という）とは、商用電源６０から電力負荷６１並びに６２に対して電力供給がされている状態であり、発電ユニット１０が運転していれば系統連系がされている状態、発電ユニット１０が停止していれば単に商用電源６０のみから電力供給を受けている状態を表している。一方、発電ユニット１０が自立運転状態にある場合（以下、「第２状態」という）とは、発電ユニット１０と商用電源６０からの電力系統とが連系しておらず、電力負荷６２に対して商用電源６０からではなく発電ユニット１０から電力供給がされている状態を表している。
【００４８】
状態信号入力受付部９０は、取得した状態信号が第１状態から第２状態に変化したことを検知すると、その情報を制御内容決定部９２に送信する。制御内容決定部９２は、第２状態における設定周波数に関する情報を記憶部９１から読み出し、制御信号出力部９３から電力変換部１３に対して出力する。
【００４９】
より具体的には、変流器４５が系統停電を検知すると、変流器４５から制御部１８に対して系統が停電状態である旨の情報が与えられる。制御部１８は、かかる情報を受けると、接続切換部５０に対して、自立運転のための接続切換を行う。これによって接続切換部５０内の接続状態が第１状態から第２状態に変化する。その後、接続切換部５０がその旨の情報を制御部１８に与える。
【００５０】
記憶部９１には、設定周波数に関する情報、第１状態における設定電圧（以下、「第１電圧」という）に関する情報、及び第２状態における設定電圧（以下、「第２電圧」という）に関する情報が記録されている。ここで、本発電システム１の設置領域が６０Ｈｚ管内の場合には設定周波数を６０Ｈｚとし、５０Ｈｚ管内の場合には設定周波数を５０Ｈｚとする。又、第１電圧は１００／２００Ｖとし、第２電圧は、それより低い電圧（例えば９６／１９２Ｖ）とする。このとき、第２電圧は電気事業法で定められた値を維持することが好ましいが、発電ユニット１０から第２電圧が出力されるのは系統連系されていない状態に限られるため、前記定められた値を必ずしも維持しなければならないというものではない。
【００５１】
電力変換部１３は、制御部１８（の制御信号出力部９３）から送信された情報に基づき、出力電圧を第２電圧に低下させる。そして、この第２電圧が、スイッチ５２、４８、分岐ブレーカ４６を介して電力負荷６２に供給される。
【００５２】
つまり、本発明システム１では、自立運転状態になると、系統連系時（又は商用電源からの電力供給時）よりも低電圧で電力供給が行われることとなる。この場合、必然的に負荷６２での消費電力が低下する。このことは、各負荷６２を運転させたときの運転出力（パワー）は減少する反面、定格出力が大きい負荷であっても自立運転時に利用することが可能となり、言い換えれば、従来構成よりも自立運転時における負荷の利用制限が緩和されることとなる。
【００５３】
自立運転時には発電機１２の発電電力で全ての負荷を賄う必要があるため、定格出力時に賄えない電力負荷については自立負荷６２として利用することができなかった。又、発電機１２の定格出力よりは負荷の出力が小さいものの、その差が微差であり、他の負荷と組み合わせて使用されることで直ちに電力負荷の合計が発電機１２の出力を上回る可能性の高い機器についても、同様に自立負荷６２としては利用の対象から外されることが通常であった。
【００５４】
これに対し、本発明システム１のように、自立運転時において負荷６２に対して供給される電圧が低下されることで、負荷側での出力が通常時よりも低下する。一方で、発電機１２の出力は影響を受けないため、事実上、従来よりも賄うことのできる負荷を増大させることができる。このとき、前述したように、各負荷における運転出力自体は低下することとなる。従って、各負荷の運転出力が低下することよりも、利用可能な負荷が限定されることの方が障害となるような需要者、特に一般の家庭等において本発明システムは有用である。
【００５５】
自立運転状態に移行した後、変流器４５は、系統が停電状態から復帰したことを検知すると、その旨の情報を制御部１８に与える。制御部１８は、接続切換部５０に対し、商用電源からの電力が負荷６２に供給されるように接続切換を行う。即ち、スイッチ４８を商用電源側に切り換え、スイッチ４７、５１、及び５２を開放する。これにより、負荷６２に対して商用電源６０からの商用電力が供給される。この後、制御部１８が電力変換部１３を制御することで、定格電圧・定格周波数の電力が電力変換部１３から出力される状態、即ち発電機１２からの発電電力を系統連系可能な状態となった時点で、スイッチ４７及び５１を接続して系統連系を行う。これによって、自立運転時に発電ユニット１０から出力される電圧が低下していても、再び定格電圧が出力可能な状態になった後に系統連系が行われる構成であるため、系統に悪影響を与えることがない。
【００５６】
又、上記実施形態において、変流器４５が系統停電を検知し、その旨の情報を制御部１８に送信した時点で、制御内容決定部９２が第２状態における設定電圧に関する情報を記憶部９１から読み出し、制御信号出力部９３から電力変換部１３に対して出力する構成とすることも可能である。即ち、制御部１８が接続切換部５０に対する接続切換制御を行うと共に、併せて電力変換部１３からの出力電圧変更の制御を行う構成とすることもできる。但し、系統停電が直ちに復帰する可能性も考えられ、かかる場合に標準電圧とは異なる電圧値を示す電力が系統側に逆潮流を生じる恐れがある。このため、接続切換部５０内の接続状態が切り替わった後に電力変換部１３からの出力電圧を変更する制御を行うことが好ましい。
【００５７】
又、上記実施形態では、自立運転時に制御部１８が電力変換部１３に対する設定電圧を低下させる制御を行うものとしたが、設定電圧に替えて設定周波数を低下させるものとしても構わない。これによって、電圧を低下させる場合と同様、自立運転時における負荷６２の消費電力を低下させることができる。更に、設定電圧と設定周波数の両者を低下させるものとしても良い。
【００５８】
又、負荷６２（機器）によっては６０Ｈｚと５０Ｈｚのみに対応可能な構成となっている場合も考えられる。このため、６０Ｈｚ管内において、通常運転時には発電ユニット１０からの出力電圧の設定周波数を６０Ｈｚとし、自立運転時に設定周波数を５０Ｈｚとすることが好ましい。これによって、自立運転時においても負荷６２を安全に運転させることができる。無論、５０Ｈｚ管内であれば、それよりも低い周波数に設定するものとして構わないし、６０Ｈｚ管内であっても、６０Ｈｚより低い、５０Ｈｚ以外の周波数に設定するものとして構わない。
【００５９】
以上説明したように、本発明システムの特徴は、自立運転時において、発電機の出力電圧又は出力周波数を低下させる点にある。上記実施形態では、熱電併給可能なシステムを例に挙げて説明をしたが、上記特徴を有する構成であれば、発電ユニット１０のみを有し排熱利用給湯暖房ユニット２０を備えない発電システムであっても実現可能であることは言うまでもない。
【００６０】
又、上記実施形態では、第１状態における設定電圧（第１電圧）並びに設定周波数を予め定められた定格の数値にしているが、系統の電圧並びに周波数を測定し、測定された電圧値並びに周波数値に基づいて設定電圧並びに設定周波数を定める構成としても構わない。
【００６１】
又、上記実施形態では、ガスエンジン発電システムを例に挙げたが、発電ユニット１０の発電方法についても上記実施形態に限定されるものではない。即ち、マイクロガスタービン発電、燃料電池、太陽光発電等他の発電システムにおいても適用可能である。尚、燃料電池、太陽光発電等、直流電力を発電するシステムの場合は、電力変換部１３において、交流電圧から直流電圧に変換するコンバータ１４は不要であり、発電電圧を直接インバータ１５で交流電圧に変換するものとすれば良い。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明に係る発電システムの概略構成を示すブロック図
【図２】本発明に係る発電システム排熱回収及び給湯及び暖房負荷に対する熱供給に係るシステム構成例を示すブロック図
【図３】本発明に係る発電システムの発電ユニットが備える制御部の構成要素の内、自立運転制御を作動させるための構成要素を示すブロック図
【符号の説明】
【００６３】
１： 本発明に係る発電システム
１０： 発電ユニット
１１： ガスエンジン
１２： 発電機
１３： 電力変換器
１４： コンバータ
１５： インバータ
１８： 制御部
１９： 熱交換器
２０： 排熱利用給湯暖房ユニット
２１： 貯湯タンク
２２： 排熱回収冷却循環配管
２３： 温水循環配管
２４： 排熱回収熱交換器
２５： 給湯出力配管
２６： 暖房出力循環配管
２７： 暖房熱交換器
２８： 給水配管
２９： 暖房端末循環配管
３０： 暖房端末分岐配管
３１： 補助熱源
３２： 制御部
３３、３４、３５： 循環ポンプ
３６： 開閉弁
３７： 三方弁
３８： 三方弁
４０： 第１分電盤
４１： 第２分電盤
４２： 主幹ブレーカ
４３： ブレーカ
４４： ブレーカ
４５： 変流器
４６： 分岐ブレーカ
４７、４８： スイッチ
５０： 接続切換部
５１、５２： スイッチ
６０： 商用電源
６１： 電力負荷
７０： 給湯負荷
７１： 暖房端末
９０： 状態信号入力受付部
９１： 記憶部
９２： 制御内容決定部
９３： 制御信号出力部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システムに関し、特に、発電機を有すると共に、所定の電力負荷に対して少なくとも商用電源から電力が供給される第１状態と、前記所定の電力負荷に対して前記商用電源からは電力が供給されず前記発電機の発電電力が供給される第２状態とを切換可能に構成された発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＯ２排出量の削減や省エネルギを志向した分散型エネルギシステムの開発が行われており、実用化も進んできている。今後は、一般家庭、集合住宅、オフィス等においても電力消費エリアで発電を行う分散型発電システムの利用が進むものと考えられる。例えば、熱電併給可能なガスエンジンコジェネレーションシステムは、電力のみならず発電時に生ずる熱エネルギについても同時に有効利用できるため、全体的なエネルギ効率を向上させることができる点において注目を集めており、近年では、発電時に生じる熱を有効活用するための制御方法について、開発が行われているところである（例えば下記特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２４００１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記のようなガスエンジンコジェネレーションシステムを初めとする分散型発電システムは、発電時に系統連系して負荷に電力を供給することが想定されている一方、系統の停電時には、一部の負荷に対して発電機のみから電力供給が可能となるように構成されている。このように系統に連系されずに発電機が運転されている状態を「自立運転」という。
【０００５】
系統が停電して自立運転状態へ移行した場合、自立運転時においても電力供給が可能な所定の負荷に対してのみ当該発電機から電力供給が行われる。これは、あらゆる負荷に対して発電機からの電力供給を可能に構成した場合、発電機からの出力のみでは電力を完全に賄うことができない恐れがあることから、自立運転時には、一般的には相対的に重要な負荷に対してのみ電力が供給される構成としていることによる。即ち、自立運転時には、一定の限られた負荷（電力機器）のみが利用可能となる結果、利用できない負荷が数多く存在するという状況となる。しかし、家庭等の一般需要者にとってみれば、自立運転時においてもなるべく利用可能な負荷の制限がない状態が好ましく、制限されるとしてもできるだけその制限が緩やかな方が好ましい。
【０００６】
特に、系統が停電した状態というのは、一般的に非常事態であるため、一般需要者にしてみれば、どの負荷が利用可能であってどの負荷が利用不可能であるかということについての認識が薄れる可能性もあり、突発的に使用したくなった機器の運転を開始しようとしても運転が行われないという事態が生じたり、場合によってはそのような事態が連続的に起こり得る。このような事態が発生すると、ただでさえ停電時という状況において一定の心理的ストレスが発生している可能性が考えられる中、更なるストレスを追加的に誘発する懸念もある。
【０００７】
本発明は上記の問題点に鑑み、自立運転時においてもなるべく利用可能な負荷（電力機器）が制限されないような発電システム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】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明に係る発電システムは、外部からエネルギ源の供給を受けて発電する発電機と、所定の電力負荷に対して、商用電源と前記発電機の内の少なくとも商用電源から電力が供給される第１状態と、前記所定の電力負荷に対して前記商用電源からは電力が供給されず前記発電機の発電電力が供給される第２状態とを切換可能に構成された接続切換部と、前記発電機の出力制御を行う制御部と、を備えてなり、前記制御部が、前記第１状態の下では前記発電機の出力電圧を定格の第１電圧とし、前記第１状態から前記第２状態に切り換えられた後、前記発電機の出力電圧を前記第１電圧より低い第２電圧とすることを第１の特徴とする。
【０００９】
自立運転時には発電機の発電電力で全ての負荷を賄う必要があるため、従来、定格出力時に賄えない電力負荷については自立負荷として利用することができなかった。又、発電機の定格出力よりは負荷の出力が小さいものの、その差が微差であり、他の負荷と組み合わせて使用されることで直ちに電力負荷の合計が発電機の出力を上回る可能性の高い機器についても、同様に自立負荷としては利用の対象から外されることが通常であった。
【００１０】
これに対し、本発明に係る発電システムの上記第１の特徴構成によれば、商用電源からの電力が負荷に対して供給されない状態となった後、発電機の出力電圧が第２電圧に低下される構成であるため、自立運転時における負荷側での出力が通常時よりも低下する。一方で、発電機の出力は影響を受けないため、商用電源からの電力供給がない場合であっても、事実上、発電機からの電力のみによって電力供給可能な負荷を増やすことができ、言い換えれば、従来構成よりも自立運転時における負荷の利用制限を緩和することができる。
【００１１】
又、本発明に係る発電システムは、外部からエネルギ源の供給を受けて発電する発電機と、所定の電力負荷に対して少なくとも商用電源を含む電力が供給される第１状態と、前記所定の電力負荷に対して前記商用電源からは電力が供給されず前記発電機の発電電力が供給される第２状態とを切換可能に構成された接続切換部と、前記発電機の出力制御を行う制御部と、を備えてなり、前記制御部が、前記第１状態の下では前記発電機の出力電圧の周波数を定格の第１周波数とし、前記第１状態から前記第２状態に切り換えられた後、前記発電機の出力電圧の周波数を前記第１周波数より低い第２周波数とすることを第２の特徴とする。
【００１２】
本発明に係る発電システムの上記第２の特徴構成によれば、商用電源からの電力が負荷に対して供給されない状態となった後、発電機の出力電圧の周波数が第２周波数に低下される。これにより、通常時に比べて電力負荷の消費電力が低下する。このため、上記第１の特徴構成と同様、商用電源からの電力供給がない場合であっても、事実上、発電機からの電力のみによって電力供給可能な負荷を増やすことができ、言い換えれば、従来構成よりも自立運転時における負荷の利用制限を緩和することができる。
【００１３】
又、本発明に係る発電システムは、上記第２の特徴構成に加えて、前記制御部が、前記第１状態の下では前記発電機の出力電圧を第１電圧とし、前記第１状態から前記第２状態に切り換えられた後、前記発電機の出力電圧を前記第１電圧より低い第２電圧とすることを第３の特徴とする。
【００１４】
又、本発明に係る発電システムは、上記第２又は第３の特徴構成に加えて、前記第１周波数が６０Ｈｚで、前記第２周波数が５０Ｈｚであることを第４の特徴とする。
【００１５】
電力負荷においては、５０Ｈｚと６０Ｈｚのみに運転動作が対応しているものが存在する。従って、上記第４の特徴構成によれば、６０Ｈｚ管内の地域において、自立運転時に５０Ｈｚとなるため、負荷の運転動作を一定レベル内に保証しつつ、従来構成よりも自立運転時における負荷の利用制限を緩和することができる。
【００１６】
又、本発明に係る発電システムは、上記第１〜第４の何れか一の特徴構成に加えて、前記発電機の出力電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記コンバータから出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータとを備え、前記インバータからの出力電圧が前記所定の電力負荷に対して供給可能に構成されており、前記制御部が、前記インバータから出力される交流電圧の電圧又は周波数を設定することを第５の特徴とする。
【００１７】
又、本発明に係る発電システムは、上記第１〜第５の何れか一の特徴構成に加えて、前記接続切換部が、前記第１状態と前記第２状態との間で状態変化したことを示す信号を前記制御部に対して送信する構成であることを第６の特徴とする。
【００１８】
又、本発明に係る発電システムは、上記第１〜第６の何れか一の特徴構成に加えて、前記発電機が、燃料ガスの供給を受けて発電するガスエンジン発電機であることを第７の特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の構成によれば、発電機が自立運転時に利用可能な負荷制限が緩和された発電システムを実現することができる。。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下において、本発明に係る発電システム（以下、適宜「本発明システム」という）の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、本発明システムの概略構成を示すブロック図である。又、図２は、本発明システム１の排熱回収及び給湯及び暖房負荷に対する熱供給に係るシステム構成を示すブロック図である。
【００２２】
図１及び図２に示すように、本発明システム１は、外部から燃料供給を受けて発電する発電ユニット１０と、発電ユニット１０の運転時に発生する排熱を回収して給湯負荷７０と暖房端末７１に供給する排熱利用給湯暖房ユニット２０を備えて構成される。
【００２３】
図１に示すように、発電ユニット１０は、都市ガスを燃料として作動するガスエンジン１１、ガスエンジン１１によって駆動される発電機１２、発電機１２の発電電力を所定の電気方式の出力電圧と周波数の交流電力に変換する電力変換部１３、発電ユニット１０の運転並びに出力制御を行う制御部１８、及び、ガスエンジン１１の排熱との熱交換により冷却水を加熱して排熱利用給湯暖房ユニット２０側に供給する熱交換器１９を備えて構成されている。排熱利用給湯暖房ユニット２０には、熱交換器１９で回収された排熱を利用する排熱利用部２０ａが設けられており、熱交換器１９と排熱利用部２０ａの間に、排熱回収冷却液循環配管２２と、排熱回収冷却液循環配管２２内の冷却液を循環させる循環ポンプ（電動冷却液ポンプ）３３が備えられ、熱交換器１９で回収された排熱が排熱利用部２０ａに伝達される構成となっている。
【００２４】
又、電力変換部１３は、発電機１２の出力端の交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ１４と、コンバータ１４から出力される直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ１５とを備える。尚、コンバータ１４、インバータ１５は、何れも双方向に電圧変換可能な構成とする。
【００２５】
又、図２に示すように、排熱利用給湯暖房ユニット２０は、貯湯タンク２１、排熱回収冷却液循環配管２２、温水循環配管２３、排熱回収熱交換器２４、給湯出力配管２５、暖房出力循環配管２６、暖房熱交換器２７、給水配管２８、暖房端末循環配管２９、暖房端末分岐配管３０、補助熱源３１、及び制御部３２を備えて構成される。又、各配管には、必要に応じて、循環ポンプ３３〜３５、開閉弁３６、三方弁３７、三方弁３８、逆止弁、圧力調整弁、温度センサ、圧力センサ、流量計等が介装されている。
【００２６】
貯湯タンク２１は、発電ユニット１０の排熱回収により加熱された温水を貯湯することで、回収した排熱を蓄熱可能に構成され、更に、内部に介装された温度センサ（不図示）や水位センサ（不図示）等の貯湯量検出手段によって貯湯量を検出可能に構成されている。又、貯湯タンク２１の底部には、貯湯タンク２１から給湯負荷７０に温水が供給された場合に、上水道等の給水源（図示せず）から貯湯タンク２１内に給水補充するための給水配管２８が接続されている。
【００２７】
排熱回収冷却液循環配管２２は、発電ユニット１０内の熱交換器１９と排熱回収熱交換器２４間を連絡する往路と復路を構成する循環回路である。排熱回収熱交換器２４は、排熱回収冷却液循環配管２２内を循環する排熱回収冷却液であるジャケット冷却水と温水循環配管２３内を循環する温水の間の熱交換を行う熱交換器であり、１次側に排熱回収冷却液循環配管２２が接続し、２次側に温水循環配管２３が接続する。温水循環配管２３は、貯湯タンク２１の下部から取り出した温水を、排熱回収熱交換器２４で加熱して、貯湯タンク２１の上部に戻して循環させる循環回路である。
【００２８】
以上の構成によって、排熱回収冷却液循環配管２２内のジャケット冷却水を循環ポンプ３３で循環させ、温水循環配管２３内の温水を循環ポンプ３４で循環させることによって、熱交換器１９において発電ユニット１０内の排熱を回収して冷却水を加熱し、更に、排熱回収熱交換器２４において加熱された冷却水の熱を回収して温水循環配管２３を循環する温水を加熱して貯湯タンク２１に供給することができる。つまり、回収された発電ユニット１０の排熱が、貯湯タンク２１に蓄熱されることになる。
【００２９】
更に、排熱利用給湯暖房ユニット２０は、温水循環配管２３の途中にガス等を燃料とする給湯器等の補助熱源３１が介装されており、発電ユニット１０から回収した排熱では熱量が不足する場合に、その不足熱量を補充可能となっている。
【００３０】
給湯出力配管２５は、風呂の浴槽やシャワ、台所や洗面所の給湯栓等の給湯負荷７０に対して給湯出力するための配管で、必要に応じて下流側で上水道からの給水と混合して給湯される。
【００３１】
暖房出力循環配管２６は、温水循環配管２３の下流側の貯湯タンク２１の上部付近の上部分岐点と、温水循環配管２３の上流側の貯湯タンク２１の下部付近の下部分岐点との間を、暖房熱交換器２７を介して接続する配管で、温水循環配管２３と暖房出力循環配管２６により途中に排熱回収熱交換器２４と暖房熱交換器２７の２つの熱交換器を配した循環回路が構成される。暖房熱交換器２７は、暖房出力循環配管２６内を循環する温水と暖房端末循環配管２９内を循環する熱媒体（温水）の間の熱交換を行う熱交換器であり、１次側に暖房出力循環配管２６が接続し、２次側に暖房端末循環配管２９が接続する。暖房端末循環配管２９は、暖房熱交換器２７と、床暖房配管や浴室暖房乾燥機等の暖房端末７１間を連絡する往路と復路を構成する循環回路である。
【００３２】
以上の構成によって、温水循環配管２３と暖房出力循環配管２６内の温水を循環ポンプ３４で循環させ、暖房端末循環配管２９内の熱媒体（温水）を循環ポンプ３５で循環させることで、排熱回収熱交換器２４で加熱された高温水により、暖房熱交換器２７において、暖房端末循環配管２９内を循環する熱媒体を加熱して暖房端末７１に供給することができる。つまり、回収された発電ユニット１０の排熱が、暖房端末７１で消費され、有効利用されることになる。
【００３３】
又、排熱回収冷却液循環配管２２の往路と復路の夫々に三方弁３７、３８を介装し、又、暖房端末循環配管２９の復路の途中に開閉弁３６を介装し、暖房端末分岐配管３０を、三方弁３７と開閉弁３６の上流側の間と、三方弁３８と開閉弁３６の下流側の間に夫々配している。これにより、発電ユニット１０内の熱交換器１９において排熱回収して加熱された冷却水を熱媒体として暖房端末循環配管２９に直接供給可能となるため、温水循環配管２３と暖房出力循環配管２６を経由する場合に比べて高効率で、発電ユニット１０の排熱が回収され暖房端末７１に供給可能となる。
【００３４】
再び図１に戻り、発電ユニット１０は一般家庭用に単相３線式正弦波出力の１００Ｖ／２００Ｖを出力する。又、発電ユニット１０の端子１０ａは、発電ユニット１０の定常運転時には発電電力の出力端子として機能し、同ユニット１０の起動時にはガスエンジン１１の始動用電源の供給を外部から受けるための入力端子として機能する。又、発電ユニット１０の起動時は、発電機１２がガスエンジン１１のスタータモータとして機能し、外部から入力される交流電圧を、電力変換部１３を介して発電機１２に供給し、発電機１２の回転運動によりガスエンジン１１の始動を行うように構成されている。
【００３５】
制御部１８はマイクロコンピュータ等を用いて構成され、発電ユニット１０の定常運転時の出力制御や起動時のガスエンジン１１の始動制御、並びに電力変換部１３の変換制御を行う。又、排熱利用給湯暖房ユニット２０の制御部３２からの制御信号を取得可能に構成されており、かかる信号に基づいてガスエンジン１１及び発電機１２の制御が可能な構成である。制御部１８の詳細な説明は後述する。
【００３６】
発電ユニット１０の発電電力は、商用電源６０（単相３線式１００Ｖ／２００Ｖ）と系統連系して、電力負荷６１、６２に電力供給可能に構成されている。具体的には、商用電源６０と発電ユニット１０は、第１分電盤４０と第２分電盤４１を介して相互に接続する構成である。第１分電盤４０には、商用電源６０の停電時（系統停電時）に使用不可となる電力負荷６１が接続し、第２分電盤４１には、系統停電時においても使用可能となる電力負荷６２が接続する。又、電力負荷６１と排熱利用給湯暖房ユニット２０の制御部３２は、系統停電時には、発電ユニット１０の自立運転によって電力供給される自立運転時電力負荷となる。
【００３７】
第１分電盤４０には、単相３線式電力線（１φ３Ｗ）の両端に主幹ブレーカ４２とブレーカ４３が設けられ、その途中に複数の分岐ブレーカ４４と２つの変流器４５が設けられている。主幹ブレーカ４２側に商用電源６０が接続し、ブレーカ４３側に第２分電盤４１が接続し、各分岐ブレーカ４４に電力負荷６１が接続する。変流器４５は、発電ユニット１０から商用電源６０に向けた逆潮流並びに系統停電の検出に用いられ、検出信号は制御部１８に入力される。
【００３８】
第２分電盤４１には、２つのスイッチ４７、４８と複数の分岐ブレーカ４６が設けられている。スイッチ４７はオンオフスイッチ（開閉スイッチ）で、１次側が単相３線式電力線（１φ３Ｗ）を介して第１分電盤４０のブレーカ４３に接続し、２次側が単相３線式電力線（１φ３Ｗ）を介して発電ユニット１０の系統正常時に使用する端子１０ａに接続している。スイッチ４８は２入力切替スイッチで、一方の入力端が単相２線式電力線（１φ２Ｗ）を介してスイッチ４７の１次側と接続し、他方の入力端が単相２線式電力線（１φ２Ｗ）を介して発電ユニット１０の系統停電時に使用する端子１０ｂに接続し、出力端が単相２線式電力線（１φ２Ｗ）を介して各分岐ブレーカ４６と接続する。発電ユニット１０は、系統正常時には、端子１０ａから単相３線式１００Ｖ／２００Ｖを出力し、系統停電時には、端子１０ｂから単相２線式１００Ｖを出力する。
【００３９】
尚、端子１０ａと１０ｂの接続切換を行うためのスイッチ５１及び５２、並びに、前記スイッチ４７及び４８を含めて接続切換部５０と称し、接続切換部５０内の各スイッチが、制御部１８からの制御信号を受けて切換制御される構成である。制御部１８は、マイクロコンピュータ等を用いて構成され、発電ユニット１０の定常運転時の出力制御や、系統正常時及び系統停電時における接続切換部５０の切換制御、及びガスエンジン１１の始動制御等を行う。
【００４０】
系統正常時には、スイッチ４７はオン状態（閉状態）となり商用電源６０と発電ユニット１０の端子１０ａが接続して系統連系され、スイッチ４８は負荷６２側が商用電源６０側に接続し、スイッチ４７の１次側、つまり、商用電源６０と発電ユニット１０の端子１０ａが分岐ブレーカ４６と接続する。これに対し、系統停電時には、スイッチ４７はオフ状態（開状態）となり商用電源６０と発電ユニット１０の間の接続が遮断され、スイッチ４８は負荷６２側が発電ユニット１０側に接続し、発電ユニット１０の端子１０ｂが分岐ブレーカ４６と接続する。
【００４１】
又、本発明システム１は、系統停電時に発電ユニット１０を強制的に運転させるための操作スイッチ４９を備える。かかる操作スイッチ４９が利用者によって操作されると、強制運転信号が操作スイッチ４９から発電ユニット１０の制御部１８に入力され、制御部１８は、強制運転信号に応じて接続切換部５０の切換制御を行う。
【００４２】
具体的には、制御部１８は、接続切換部５０に対し、系統正常時には、スイッチ４７をオン、スイッチ４８を商用電源６０側に接続、スイッチ５１をオン、スイッチ５２をオフとする制御を行う。これにより、商用電源６０と発電ユニット１０の端子１０ａが系統連系し、全ての電力負荷への電力供給が可能となる。又、系統停電時には、制御部１８は、接続切換部５０に対し、スイッチ４７をオフ、スイッチ４８を発電ユニット１０側へ接続、スイッチ５１をオフ、スイッチ５２をオンとする制御を行う。これにより、商用電源６０と発電ユニット１０との系統連系が解除されると共に、発電ユニット１０の発電電力が電力負荷６２に対して供給される。
【００４３】
上述したように、電力変換部１３は、発電機１２からの発電電力を、所定周波数及び所定電圧を示す交流電力に変換して出力する。このとき、制御部１８によって出力電力に関する周波数・電圧の設定が行われる。例えば、６０Ｈｚ系統管内であれば、通常運転時における設定周波数を６０Ｈｚとし、設定電圧を１００／２００Ｖとすることで、商用電源６０との系統連系を可能にしている。
【００４４】
更に、制御部１８は、自立運転時に電力変換部１３に対して設定電圧を低下させる制御（以下、「自立運転制御」という）を行う。図３は、制御部１８の有する機能の内、自立運転制御を作動させるための構成要素を示すブロック図である。
【００４５】
図３に示す制御部１８は、状態信号入力受付部９０、記憶部９１、制御内容決定部９２、及び制御信号出力部９３を備える。
【００４６】
状態信号入力受付部９０は、発電ユニット１０が自立運転状態にあるか否かを示す状態信号を受け付ける。具体的には、制御部１８から発電機１２の運転状態、及び接続切換部５０内の各スイッチの接続状態を示す信号が、状態信号として状態信号入力受付部９０に送られる構成とすることができる。
【００４７】
ここで、発電ユニット１０が自立運転状態にない場合（以下、「第１状態」という）とは、商用電源６０から電力負荷６１並びに６２に対して電力供給がされている状態であり、発電ユニット１０が運転していれば系統連系がされている状態、発電ユニット１０が停止していれば単に商用電源６０のみから電力供給を受けている状態を表している。一方、発電ユニット１０が自立運転状態にある場合（以下、「第２状態」という）とは、発電ユニット１０と商用電源６０からの電力系統とが連系しておらず、電力負荷６２に対して商用電源６０からではなく発電ユニット１０から電力供給がされている状態を表している。
【００４８】
状態信号入力受付部９０は、取得した状態信号が第１状態から第２状態に変化したことを検知すると、その情報を制御内容決定部９２に送信する。制御内容決定部９２は、第２状態における設定周波数に関する情報を記憶部９１から読み出し、制御信号出力部９３から電力変換部１３に対して出力する。
【００４９】
より具体的には、変流器４５が系統停電を検知すると、変流器４５から制御部１８に対して系統が停電状態である旨の情報が与えられる。制御部１８は、かかる情報を受けると、接続切換部５０に対して、自立運転のための接続切換を行う。これによって接続切換部５０内の接続状態が第１状態から第２状態に変化する。その後、接続切換部５０がその旨の情報を制御部１８に与える。
【００５０】
記憶部９１には、設定周波数に関する情報、第１状態における設定電圧（以下、「第１電圧」という）に関する情報、及び第２状態における設定電圧（以下、「第２電圧」という）に関する情報が記録されている。ここで、本発電システム１の設置領域が６０Ｈｚ管内の場合には設定周波数を６０Ｈｚとし、５０Ｈｚ管内の場合には設定周波数を５０Ｈｚとする。又、第１電圧は１００／２００Ｖとし、第２電圧は、それより低い電圧（例えば９６／１９２Ｖ）とする。このとき、第２電圧は電気事業法で定められた値を維持することが好ましいが、発電ユニット１０から第２電圧が出力されるのは系統連系されていない状態に限られるため、前記定められた値を必ずしも維持しなければならないというものではない。
【００５１】
電力変換部１３は、制御部１８（の制御信号出力部９３）から送信された情報に基づき、出力電圧を第２電圧に低下させる。そして、この第２電圧が、スイッチ５２、４８、分岐ブレーカ４６を介して電力負荷６２に供給される。
【００５２】
つまり、本発明システム１では、自立運転状態になると、系統連系時（又は商用電源からの電力供給時）よりも低電圧で電力供給が行われることとなる。この場合、必然的に負荷６２での消費電力が低下する。このことは、各負荷６２を運転させたときの運転出力（パワー）は減少する反面、定格出力が大きい負荷であっても自立運転時に利用することが可能となり、言い換えれば、従来構成よりも自立運転時における負荷の利用制限が緩和されることとなる。
【００５３】
自立運転時には発電機１２の発電電力で全ての負荷を賄う必要があるため、定格出力時に賄えない電力負荷については自立負荷６２として利用することができなかった。又、発電機１２の定格出力よりは負荷の出力が小さいものの、その差が微差であり、他の負荷と組み合わせて使用されることで直ちに電力負荷の合計が発電機１２の出力を上回る可能性の高い機器についても、同様に自立負荷６２としては利用の対象から外されることが通常であった。
【００５４】
これに対し、本発明システム１のように、自立運転時において負荷６２に対して供給される電圧が低下されることで、負荷側での出力が通常時よりも低下する。一方で、発電機１２の出力は影響を受けないため、事実上、従来よりも賄うことのできる負荷を増大させることができる。このとき、前述したように、各負荷における運転出力自体は低下することとなる。従って、各負荷の運転出力が低下することよりも、利用可能な負荷が限定されることの方が障害となるような需要者、特に一般の家庭等において本発明システムは有用である。
【００５５】
自立運転状態に移行した後、変流器４５は、系統が停電状態から復帰したことを検知すると、その旨の情報を制御部１８に与える。制御部１８は、接続切換部５０に対し、商用電源からの電力が負荷６２に供給されるように接続切換を行う。即ち、スイッチ４８を商用電源側に切り換え、スイッチ４７、５１、及び５２を開放する。これにより、負荷６２に対して商用電源６０からの商用電力が供給される。この後、制御部１８が電力変換部１３を制御することで、定格電圧・定格周波数の電力が電力変換部１３から出力される状態、即ち発電機１２からの発電電力を系統連系可能な状態となった時点で、スイッチ４７及び５１を接続して系統連系を行う。これによって、自立運転時に発電ユニット１０から出力される電圧が低下していても、再び定格電圧が出力可能な状態になった後に系統連系が行われる構成であるため、系統に悪影響を与えることがない。
【００５６】
又、上記実施形態において、変流器４５が系統停電を検知し、その旨の情報を制御部１８に送信した時点で、制御内容決定部９２が第２状態における設定電圧に関する情報を記憶部９１から読み出し、制御信号出力部９３から電力変換部１３に対して出力する構成とすることも可能である。即ち、制御部１８が接続切換部５０に対する接続切換制御を行うと共に、併せて電力変換部１３からの出力電圧変更の制御を行う構成とすることもできる。但し、系統停電が直ちに復帰する可能性も考えられ、かかる場合に標準電圧とは異なる電圧値を示す電力が系統側に逆潮流を生じる恐れがある。このため、接続切換部５０内の接続状態が切り替わった後に電力変換部１３からの出力電圧を変更する制御を行うことが好ましい。
【００５７】
又、上記実施形態では、自立運転時に制御部１８が電力変換部１３に対する設定電圧を低下させる制御を行うものとしたが、設定電圧に替えて設定周波数を低下させるものとしても構わない。これによって、電圧を低下させる場合と同様、自立運転時における負荷６２の消費電力を低下させることができる。更に、設定電圧と設定周波数の両者を低下させるものとしても良い。
【００５８】
又、負荷６２（機器）によっては６０Ｈｚと５０Ｈｚのみに対応可能な構成となっている場合も考えられる。このため、６０Ｈｚ管内において、通常運転時には発電ユニット１０からの出力電圧の設定周波数を６０Ｈｚとし、自立運転時に設定周波数を５０Ｈｚとすることが好ましい。これによって、自立運転時においても負荷６２を安全に運転させることができる。無論、５０Ｈｚ管内であれば、それよりも低い周波数に設定するものとして構わないし、６０Ｈｚ管内であっても、６０Ｈｚより低い、５０Ｈｚ以外の周波数に設定するものとして構わない。
【００５９】
以上説明したように、本発明システムの特徴は、自立運転時において、発電機の出力電圧又は出力周波数を低下させる点にある。上記実施形態では、熱電併給可能なシステムを例に挙げて説明をしたが、上記特徴を有する構成であれば、発電ユニット１０のみを有し排熱利用給湯暖房ユニット２０を備えない発電システムであっても実現可能であることは言うまでもない。
【００６０】
又、上記実施形態では、第１状態における設定電圧（第１電圧）並びに設定周波数を予め定められた定格の数値にしているが、系統の電圧並びに周波数を測定し、測定された電圧値並びに周波数値に基づいて設定電圧並びに設定周波数を定める構成としても構わない。
【００６１】
又、上記実施形態では、ガスエンジン発電システムを例に挙げたが、発電ユニット１０の発電方法についても上記実施形態に限定されるものではない。即ち、マイクロガスタービン発電、燃料電池、太陽光発電等他の発電システムにおいても適用可能である。尚、燃料電池、太陽光発電等、直流電力を発電するシステムの場合は、電力変換部１３において、交流電圧から直流電圧に変換するコンバータ１４は不要であり、発電電圧を直接インバータ１５で交流電圧に変換するものとすれば良い。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明に係る発電システムの概略構成を示すブロック図
【図２】本発明に係る発電システム排熱回収及び給湯及び暖房負荷に対する熱供給に係るシステム構成例を示すブロック図
【図３】本発明に係る発電システムの発電ユニットが備える制御部の構成要素の内、自立運転制御を作動させるための構成要素を示すブロック図
【符号の説明】
【００６３】
１： 本発明に係る発電システム
１０： 発電ユニット
１１： ガスエンジン
１２： 発電機
１３： 電力変換器
１４： コンバータ
１５： インバータ
１８： 制御部
１９： 熱交換器
２０： 排熱利用給湯暖房ユニット
２１： 貯湯タンク
２２： 排熱回収冷却循環配管
２３： 温水循環配管
２４： 排熱回収熱交換器
２５： 給湯出力配管
２６： 暖房出力循環配管
２７： 暖房熱交換器
２８： 給水配管
２９： 暖房端末循環配管
３０： 暖房端末分岐配管
３１： 補助熱源
３２： 制御部
３３、３４、３５： 循環ポンプ
３６： 開閉弁
３７： 三方弁
３８： 三方弁
４０： 第１分電盤
４１： 第２分電盤
４２： 主幹ブレーカ
４３： ブレーカ
４４： ブレーカ
４５： 変流器
４６： 分岐ブレーカ
４７、４８： スイッチ
５０： 接続切換部
５１、５２： スイッチ
６０： 商用電源
６１： 電力負荷
７０： 給湯負荷
７１： 暖房端末
９０： 状態信号入力受付部
９１： 記憶部
９２： 制御内容決定部
９３： 制御信号出力部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部からエネルギ源の供給を受けて発電する発電機と、
所定の電力負荷に対して、商用電源と前記発電機の内の少なくとも商用電源から電力が供給される第１状態と、前記所定の電力負荷に対して前記商用電源からは電力が供給されず前記発電機の発電電力が供給される第２状態とを切換可能に構成された接続切換部と、
前記発電機の出力制御を行う制御部と、を備えてなり、
前記制御部が、前記第１状態の下では前記発電機の出力電圧を定格の第１電圧とし、前記第１状態から前記第２状態に切り換えられた後、前記発電機の出力電圧を前記第１電圧より低い第２電圧とすることを特徴とする発電システム。
【請求項２】
外部からエネルギ源の供給を受けて発電する発電機と、
所定の電力負荷に対して少なくとも商用電源を含む電力が供給される第１状態と、前記所定の電力負荷に対して前記商用電源からは電力が供給されず前記発電機の発電電力が供給される第２状態とを切換可能に構成された接続切換部と、
前記発電機の出力制御を行う制御部と、を備えてなり、
前記制御部が、前記第１状態の下では前記発電機の出力電圧の周波数を定格の第１周波数とし、前記第１状態から前記第２状態に切り換えられた後、前記発電機の出力電圧の周波数を前記第１周波数より低い第２周波数とすることを特徴とする発電システム。
【請求項３】
前記制御部が、前記第１状態の下では前記発電機の出力電圧を第１電圧とし、前記第１状態から前記第２状態に切り換えられた後、前記発電機の出力電圧を前記第１電圧より低い第２電圧とすることを特徴とする請求項２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記第１周波数が６０Ｈｚで、前記第２周波数が５０Ｈｚであることを特徴とする請求項２又は３の何れか１項に記載の発電システム。
【請求項５】
前記発電機の出力電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記コンバータから出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータとを備え、前記インバータからの出力電圧が前記所定の電力負荷に対して供給可能に構成されており、
前記制御部が、前記インバータから出力される交流電圧の電圧又は周波数を設定することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の発電システム。
【請求項６】
前記接続切換部が、前記第１状態と前記第２状態との間で状態変化したことを示す信号を前記制御部に対して送信する構成であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の発電システム。
【請求項７】
前記発電機が、燃料ガスの供給を受けて発電するガスエンジン発電機であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の発電システム。
【請求項１】
外部からエネルギ源の供給を受けて発電する発電機と、
所定の電力負荷に対して、商用電源と前記発電機の内の少なくとも商用電源から電力が供給される第１状態と、前記所定の電力負荷に対して前記商用電源からは電力が供給されず前記発電機の発電電力が供給される第２状態とを切換可能に構成された接続切換部と、
前記発電機の出力制御を行う制御部と、を備えてなり、
前記制御部が、前記第１状態の下では前記発電機の出力電圧を定格の第１電圧とし、前記第１状態から前記第２状態に切り換えられた後、前記発電機の出力電圧を前記第１電圧より低い第２電圧とすることを特徴とする発電システム。
【請求項２】
外部からエネルギ源の供給を受けて発電する発電機と、
所定の電力負荷に対して少なくとも商用電源を含む電力が供給される第１状態と、前記所定の電力負荷に対して前記商用電源からは電力が供給されず前記発電機の発電電力が供給される第２状態とを切換可能に構成された接続切換部と、
前記発電機の出力制御を行う制御部と、を備えてなり、
前記制御部が、前記第１状態の下では前記発電機の出力電圧の周波数を定格の第１周波数とし、前記第１状態から前記第２状態に切り換えられた後、前記発電機の出力電圧の周波数を前記第１周波数より低い第２周波数とすることを特徴とする発電システム。
【請求項３】
前記制御部が、前記第１状態の下では前記発電機の出力電圧を第１電圧とし、前記第１状態から前記第２状態に切り換えられた後、前記発電機の出力電圧を前記第１電圧より低い第２電圧とすることを特徴とする請求項２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記第１周波数が６０Ｈｚで、前記第２周波数が５０Ｈｚであることを特徴とする請求項２又は３の何れか１項に記載の発電システム。
【請求項５】
前記発電機の出力電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記コンバータから出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータとを備え、前記インバータからの出力電圧が前記所定の電力負荷に対して供給可能に構成されており、
前記制御部が、前記インバータから出力される交流電圧の電圧又は周波数を設定することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の発電システム。
【請求項６】
前記接続切換部が、前記第１状態と前記第２状態との間で状態変化したことを示す信号を前記制御部に対して送信する構成であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の発電システム。
【請求項７】
前記発電機が、燃料ガスの供給を受けて発電するガスエンジン発電機であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の発電システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−２７３２７１（Ｐ２００９−２７３２７１Ａ）
【公開日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１２２４５１（Ｐ２００８−１２２４５１）
【出願日】平成２０年５月８日（２００８．５．８）
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月８日（２００８．５．８）
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]