JP2002238167A

JP2002238167A - 系統連系システム

Info

Publication number: JP2002238167A
Application number: JP2001035243A
Authority: JP
Inventors: Shinji Hibi; 真二日比; Masayoshi Tokiwa; 昌良常盤
Original assignee: Yanmar Diesel Engine Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2001-02-13
Filing date: 2001-02-13
Publication date: 2002-08-23

Abstract

(57)【要約】【課題】系統連系システムを効率的に運転し、かつ逆
潮流の防止を可能にする技術を提案するものである。【解決手段】外部商用電源の商用電力Ｗｉｎと、発電
機の発電電力をインバーターを介して出力したインバー
ター出力Ｗｇとを系統連系し、負荷の需要電力Ｗｚを賄
うコージェネレーションシステム等の系統連系システム
であって、需要電力量の変化に追従する商用電力による
電力供給を行う第一制御区間Ｆ１と、定格の商用電力
と、需要電力量の変化に追従するインバーター出力と、
による電力供給を行う第二制御区間Ｆ２と、需要電力量
の変化に追従する商用電力と、定格のインバーター出力
と、による電力供給を行う第三制御区間Ｆ３と、の三つ
の制御区間に分けて制御し、前記第二制御区間Ｆ２にお
けるインバーター出力Ｗｉｎは、需要電力量Ｗｉｎより
も一定量（制御値Ｉ）少なく出力するように制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コージェネレーシ
ョンシステム等の系統連系システムに関するものであっ
て、詳しくは、系統連系システムが出力する発電電力の
出力の制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電力消費機器（負荷）への送電系
統に、外部商用電源の商用電力系統と、発電機の発電電
力系統を接続し、電力消費機器（負荷）の需要電力を賄
うとともに、発電に伴い発電機で生じる排熱を回収し、
該回収熱を利用し水の熱交換を行う、コージェネレーシ
ョンシステム等が広く使用されるようになっている。前
記発電電力は、系統連系システム内部に備えたインバー
ターにより、商用電力と合わせて需要電力になるように
制御されている。このような制御のシステムは、発電電
力系統と、商用電力系統とを、連系して行っていること
から、系統連系システムといわれている。

【０００３】このような、系統連系システムにおいて、
一つの原動機から熱・電力を同時に発生させるコージェ
ネレーションシステムは、前記原動機を運転するための
燃料（ガス・軽油など）を効率的・経済的に利用するこ
とを目的とする。このようなシステムにおいては、熱と
電力は、双方の需要状況にかかわらず常に効率的に出力
・消費されることが望ましい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】コージェネレーション
システム全体の経済効率から考えて、需要電力に供給さ
れる電力の全てを、発電電力が補うことが望ましい。即
ち、需要電力の全てを発電電力によって賄い、商用電力
は一切使用されないことが理想的である。そこで、需要
電力と発電電力は、一致するように制御することが望ま
しい。しかし、需要電力と発電電力を完全に一致させる
ように制御を行った場合において、負荷電力が減少した
場合には、発電電力は該減少に追従するが、該追従には
タイムラグ（制御遅れ）が生じるため、このタイムラグ
の間に発生してしまう余剰電力が、逆潮流を発生させて
しまうことになっていた。

【０００５】本発明は、以上の問題点に鑑み、コージェ
ネレーションシステム等の系統連系システムを効率的に
運転し、かつ逆潮流の防止を可能にする技術を提案する
ものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の解決しようとす
る課題は以上のごとくであり、次に該課題を解決する為
の手段を説明する。すなわち、請求項１に記載のごと
く、外部商用電源の商用電力と、発電機の発電電力を、
インバーターを介して出力したインバーター出力とを系
統連系し、負荷の需要電力を賄うコージェネレーション
システム等の系統連系システムであって、需要電力量の
変化に追従する商用電力による電力供給を行う第一制御
区間と、定格の商用電力と、需要電力量の変化に追従す
るインバーター出力と、による電力供給を行う第二制御
区間と、需要電力量の変化に追従する商用電力と、定格
のインバーター出力と、による電力供給を行う第三制御
区間と、の三つの制御区間に分けて制御し、前記第二制
御区間におけるインバーター出力は、需要電力量よりも
一定量少なく出力するように制御されるである。

【０００７】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を、図
面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る系統連系
システムを適用したコージェネレーションシステムの回
路図、図２は本発明に係る系統連系システムの出力制御
方法を示す図、図３は三相の商用電力系統にコージェネ
レーションシステムを適用する実施例を示す図である。

【０００８】〔系統連系システムの構成〕まず、図１を
用いて本発明に係る系統連系システムの実施例を、コー
ジェネレーションシステム１に適用した場合について説
明する。尚、図１は、外部商用電源４０を、単相三線２
００Ｖとした実施例を示すものである。コージェネレー
ションシステム１は、主として原動機２、発電機３、排
熱回収設備４、制御装置５、インバーター６からなる。

【０００９】原動機２付近には、ラジエータファン７が
備えられている。そして、原動機２の循環冷却水８を、
排熱回収設備４にて、熱消費装置（図示せず）からの戻
り温水（循環湯９）と熱交換させている。また、原動機
２には、スタータ１０を備え、該スタータ１０への電力
供給は、後述する送電系統Ｕ３・Ｖ３（発電電力系統Ｕ
２・Ｖ２を含む）からトランス１１を介して行われてい
る。

【００１０】発電機３は、原動機２の駆動シャフトにつ
ながる回転軸１２に、電機子巻線（図示しない）を備
え、電機子巻線に対応する固定子（図示しない）から三
相出力３０を取り出す構成としている。

【００１１】発電機３からの三相出力３０は、ダイオー
ド２１及びコンデンサ２２により整流・平滑され、イン
バーター６の直流入力部に接続される。そして、該イン
バーター６からは、発電電力系統Ｕ２・Ｖ２が出力され
ている。

【００１２】以上に述べたコージェネレーションシステ
ム１の主構成要素である原動機２、発電機３、排熱回収
設備４、インバーター６は制御装置５により制御が行わ
れている。さらに、該制御装置５の動作状態を表示・変
更等を行う操作表示器２８及び遠隔操作表示器２９によ
り、コージェネレーションシステム１のシステムの管理
を行うように構成している。

【００１３】〔系統連系の構成〕図１は、コージェネレ
ーションシステム１を、単相三線商用電力系統に系統連
系させる実施例を示すものである。外部商用電源４０か
らは、単相三線２００Ｖの商用電力系統Ｕ１（Ｕ相）・
Ｏ１（中性線）・Ｖ１（Ｖ相）が引かれている。該商用
電力系統Ｕ１・Ｖ１（Ｕ相、Ｖ相）に、コージェネレー
ションシステム１からの発電電力系統Ｕ２・Ｖ２が並列
に接続される。以上の商用電力系統Ｕ１・Ｏ１・Ｖ１及
び発電電力系統Ｕ２・Ｖ２の電力が、送電系統Ｕ３・Ｏ
３・Ｖ３を通り電力消費機器（負荷）２４・２４・・・
へ送電されている。

【００１４】また、商用電力系統Ｕ１・Ｖ１には、負荷
電流検出用変流器（カレントトランス）ＣＴ１・ＣＴ２
が設けられている。該負荷電流検出用変流器ＣＴ１・Ｃ
Ｔ２を介して、商用電力系統Ｕ１・Ｖ１の電力値をイン
バーター６が算出する。そして、該インバーター６が、
商用電力系統Ｕ１・Ｖ１の電力値を一定にするために、
電力消費機器２４・２４・・・に供給するインバーター
６の出力を演算する。

【００１５】以上の系統連系によって行われるコージェ
ネレーションシステム１の動作の具体例を以下に説明す
る。（１）電力消費機器の消費電力が増加した場合送電系統Ｕ３・Ｏ３・Ｖ３における需要電力が増加し、
これに応じて商用電力系統Ｕ１・Ｏ１・Ｖ１に流れる電
力量が増加する。そして、商用電力系統Ｕ１・Ｖ１の電
力量の増加値は、負荷電流検出用変流器ＣＴ１・ＣＴ２
からインバーター６が算出する。そして、自己の出力す
る電力量を決定し、発電電力系統Ｕ２・Ｖ２に電力を出
力する。

【００１６】（２）電力消費機器の消費電力が減少した
場合送電系統Ｕ３・Ｏ３・Ｖ３における需要電力が減少し、
これに応じて商用電力系統Ｕ１・Ｏ１・Ｖ１に流れる電
力量が減少する。そして、商用電力系統Ｕ１・Ｖ１の電
力量の減少値は、負荷電流検出用変流器ＣＴ１・ＣＴ２
からインバーター６が算出する。そして、自己の出力す
る電力量を決定し、発電電力系統Ｕ２・Ｖ２に電力を出
力する。尚、消費電力が、インバーター６からの出力電
力よりも小さくなってしまうと、商用電力系統Ｕ１・Ｖ
１への逆潮流が発生してしまう。

【００１７】〔インバーター出力の制御〕図２に示すグ
ラフは、需要電力Ｗｚ、インバーター出力Ｗｇ、及び商
用電力Ｗｉｎの負荷（電力消費量）に対しての出力の増
減を表すものである。

【００１８】該図２を用いて、インバーター出力Ｗｇと
商用電力Ｗｉｎの制御による、需要電力Ｗｚへの電力供
給の方法について、以下の三つの制御区間に分けて説明
する。第一制御区間Ｆ１：需要電力量Ｗｚの変化に追従する商
用電力Ｗｉｎによる電力供給。第二制御区間Ｆ２：定格の商用電力Ｗｉｎと、需要電力
量Ｗｚの変化に追従するインバーター出力Ｗｇと、によ
る電力供給。第三制御区間Ｆ３：需要電力量Ｗｚの変化に追従する商
用電力Ｗｉｎと、定格のインバーター出力Ｗｇと、によ
る電力供給。尚、以上の全ての制御区間においては、熱出力が発生し
ており、該熱出力は、前述した排熱回収設備４にて絶え
ず熱交換が行われ、効率的に消費されている。

【００１９】〔Ｆ１：需要電力量の変化に追従する商用
電力による電力供給〕図２に示す第一制御区間Ｆ１は、
少量（微量）の需要電力Ｗｚのある区間であり、具体的
には、夜間等といった電力需要の少ない時間帯における
電力消費設備をスタンバイさせておくための電力や、施
設の室内の補助灯といった、電力消費設備が実働してい
ない状態における需要電力Ｗｚのある区間を想定してい
る。

【００２０】該第一制御区間Ｆ１では、需要電力Ｗｚに
追従する商用電力Ｗｉｎにより電力供給を行う制御が行
われる。言い換えれば、該第一制御区間Ｆ１は、商用電
力Ｗｉｎのみで、電力供給を行う制御を行う区間であ
る。即ち、以下の制御数式により制御を行う。

【００２１】

【数１】

【００２２】このように、需要電力Ｗｚを商用電力Ｗｉ
ｎで賄うので、実際には商用電力Ｗｉｎを購入するコス
トが発生していることになる。しかし、該第一制御区間
Ｆ１においての需要電力Ｗｚは、上述したごとく、微量
であることを想定している。加えて、このような微量の
需要電力Ｗｚを賄うために、インバーター出力Ｗｇを出
力させた場合には、かえって前述原動機２（発電機３）
を稼動させるための燃料コストがかかってしまうことに
なる。そこで、商用電力Ｗｉｎのみによる電力供給によ
り、経済的な効果を得る制御とするのである。

【００２３】〔Ｆ２：定格の商用電力と、需要電力量の
変化に追従するインバーター出力と、による電力供給〕
図２に示す第二制御区間Ｆ２は、大容量の需要電力Ｗｇ
がある区間であって、具体的には、日中といった多くの
電力消費機器・設備が実際に稼働する時間帯を想定して
いる。そして、該制御期間Ｆ２が、原動機２（発電機
３）の出力特性において、コージェネレーションシステ
ム１の発電電力（インバーター出力Ｗｇ）を最も効率的
に活用できる区間としている。この点については、後述
する第三制御区間Ｆ３において、インバーター出力Ｗｇ
を定格に抑える運転をすることで、原動機２（発電機
３）に高負担がかからないようにしていることに対応す
るものである。

【００２４】該第二制御区間Ｆ２では、定格の商用電力
Ｗｉｎと、需要電力Ｗｚに追従するインバーター出力Ｗ
ｇにより電力供給を行う制御が行われる。言い換えれ
ば、該第二制御区間Ｆ２は、商用電力Ｗｉｎと、インバ
ーター出力Ｗｇとを合わせて、電力供給を行う制御を行
う区間である。図２に示すごとく、インバーター出力Ｗ
ｇは、需要電力Ｗｚに対して一定量の電力（以下「制御
値Ｉ」とする）を抑えた出力を行っている。該インバー
ター出力Ｗｇの制御は、具体的には、前述したごとく、
負荷電流検出用変流器ＣＴ１・ＣＴ２により、商用電力
系統Ｕ１・Ｖ１の電力値を検出し、インバーター６が自
己の出力する電力量を決定し、発電電力系統Ｕ２・Ｖ２
に電力を出力することで、需要電力Ｗｚに追従する出力
を行っているのである。ここで、インバーター６は、イ
ンバーター出力Ｗｇが、需要電力Ｗｚから制御値Ｉの分
だけ少ない出力を行う。即ち、以下の制御数式により制
御を行う。

【００２５】

【数２】

【００２６】一方で、商用電力Ｗｉｎは、前記制御値Ｉ
と同量の定格の電力を供給している。ここで、上述した
ごとく、第二制御区間Ｆ２においては、インバーター出
力Ｗｇと商用電力Ｗｉｎとを合計して需要電力Ｗｚを賄
うことから、以下の制御数式により制御を行う。

【００２７】

【数３】

【００２８】上記制御数式・より、以下の制御数式
が成立する。

【００２９】

【数４】

【００３０】以上の制御数式からに基づいた制御を
行うことにより、以下の効率的なコージェネレーション
システムの制御が可能となる。第一に、制御数式よ
り、インバーター出力Ｗｇは、常に、需要電力Ｗｚより
も制御値Ｉの分だけ少ない電力であるので、インバータ
ー出力Ｗｇは、すべて需要電力Ｗｚに消費され、発電電
力が有効に消費され、かつ、逆潮流が発生することはな
い。第二に、制御数式より、需要電力Ｗｚに対しての
インバーター出力Ｗｇで賄えない分の電力が、商用電力
Ｗｉｎによって補われることから、需要電力Ｗｚへの安
定した電力供給が行われる。第三に、制御数式におい
て、制御値Ｉをインバーター６の仕様に応じて最適に設
定することにより、制御遅れによる逆潮流を防止させ
る。より詳しく説明すると、インバーター６は、容量や
仕様の違いといった機種の違いによって、各機種なった
制御遅れ（需要電力Ｗｚが減少した場合に、該減少にイ
ンバーター出力Ｗｇが追従して減少するまでの時間）の
特性を呈することから、試運転において各機種に最適の
制御値Ｉのチューニングを施すのである。該制御値Ｉの
値は、上述したごとく購入する商用電力Ｗｉｎの容量を
決定することでもあるので、出来るだけ小さく出来るよ
うにチューニングを行う。例えば、制御値Ｉの値を原動
機もしくはインバーターの出力変動の範囲より設定する
ことも可能である。制御値Ｉを原動機もしくはインバー
ターの出力変動幅より若干大きく設定することにより、
瞬間的な逆潮流を防止できるとともに、安定した電力を
負荷に対して供給することができるものである。制御値
Ｉをインバーターの出力もしくは原動機の出力に対応さ
せて設定することも可能である。インバーターの出力も
しくは原動機の出力に対応した制御値Ｉを記憶装置等に
マップとして保持させ、出力に応じた制御値Ｉを設定す
ることが可能である。これにより、出力に対して適切に
インバーターの出力を制御し、発電効率を向上できると
ともに、負荷に対して安定した質の良い電力を供給する
ことができるものである。さらに、第二制御区間Ｆ２に
おいて、制御値Ｉを一定に設定することも可能である。
この場合には、簡便な構成により制御値Ｉの設定を行う
ことができ、インバーターの制御上の信頼性を向上でき
るものである。そして、インバーターの耐久性を向上で
き、簡便な構成によりコージェネレーションシステムの
制御における信頼性を向上できるものである。なお、制
御値Ｉの値を１ｋＷ以下のような設定にすることで、商
用電力Ｗｉｎの使用量を低く抑える設定とすることもで
きる。このようなことから、コージェネレーションシス
テム１が、最も経済的な運転を行えるチューニングが可
能となる。

【００３１】〔Ｆ３：需要電力量の変化に追従する商用
電力と、定格のインバーター出力と、による電力供給〕
図２に示す第三制御区間Ｆ３は、瞬間的に大容量の需要
電力Ｗｚが生じた場合を想定しており、具体的には、同
時に複数の高負荷の電力消費設備が稼働したような場合
を想定している。

【００３２】該第三制御区間Ｆ３では、定格のインバー
ター出力Ｗｇと、需要電力Ｗｚに追従する商用電力Ｗｉ
ｎにより電力供給を行う制御が行われる。言い換えれ
ば、該第三制御区間Ｆ３は、インバーター出力Ｗｇと、
商用電力Ｗｉｎとを合わせて、電力供給を行う制御を行
う区間である。図２に示すごとく、インバーター出力Ｗ
ｇは、定格の出力を行っている。

【００３３】一方で、商用電力Ｗｉｎは、定格のインバ
ーター出力Ｗｇと合計して需要電力Ｗｚを賄うことか
ら、需要電力Ｗｚの増減に追従する。このことから、以
下の制御数式により制御を行う。

【００３４】

【数５】

【００３５】以上の制御数式に基づいた制御を行うこ
とにより、以下の効率的なコージェネレーションシステ
ムの制御が可能となる。第一に、制御数式より、イン
バーター出力Ｗｇは、常に、需要電力Ｗｚよりも制御値
Ｉの分だけ少ない電力であるので、インバーター出力Ｗ
ｇは、すべて需要電力Ｗｚに消費され、発電電力が有効
に消費され、かつ、逆潮流が発生することはない。第二
に、制御数式より、需要電力Ｗｚに対してのインバー
ター出力Ｗｇで賄えない分の電力が、商用電力Ｗｉｎに
よって補われることから、瞬間的な大容量の需要電力Ｗ
ｚにも対応できる。第三に、制御数式より、インバー
ター出力Ｗｇは、定格（一定）以上の出力を行わないよ
うに制御されるので、同時に複数の高負荷の電力消費設
備が稼働したような場合であっても、原動機２（発電機
３）の定格以上の仕事をさせずに、機械に負担をかけな
いことが出来る。

【００３６】〔三相商用電力系統にインバーター出力を
接続させる実施例〕図３は、三相商用電力系統Ｕ１・Ｖ
１・Ｗ１に、インバーター出力Ｕ２・Ｖ２・Ｗ２を接続
し、三相負荷５０・５０・・・に電力供給を行う実施例
を示したものである。本実施例においては、インバータ
ー６からは、三相のインバーター出力Ｕ２・Ｖ２・Ｗ２
を出力し、三相商用電力系統Ｕ１・Ｖ１・Ｗ１のＵ相・
Ｖ相・Ｗ相に接続させる。また、負荷５０・５０・・・
の電力消費量の算出は、三相商用電力系統Ｕ１・Ｖ１・
Ｗ１にそれぞれ備えられた負荷電流検出用変流器ＣＴ１
・ＣＴ２・ＣＴ３から、インバーター６に取り込むこと
により行われる。このように、本発明のコージェネレー
ションシステムは、上述した単相商用電力系統のみなら
ず、三相商用電力系統にも適用可能なのである。

【００３７】

【発明の効果】本発明は以上のごとく構成したので、次
のような効果を奏するのである。すなわち、請求項１の
ごとく、外部商用電源の商用電力と、発電機の発電電力
を、インバーターを介して出力したインバーター出力と
を系統連系し、負荷の需要電力を賄うコージェネレーシ
ョンシステム等の系統連系システムであって、需要電力
量の変化に追従する商用電力による電力供給を行う第一
制御区間と、定格の商用電力と、需要電力量の変化に追
従するインバーター出力と、による電力供給を行う第二
制御区間と、需要電力量の変化に追従する商用電力と、
定格のインバーター出力と、による電力供給を行う第三
制御区間と、の三つの制御区間に分けて制御し、前記第
二制御区間におけるインバーター出力は、需要電力量よ
りも一定量少なく出力するように制御されるので、イン
バーター出力は、すべて需要電力に消費され、逆潮流が
発生することはない。即ち、経済効率の良い系統連系シ
ステムの運転を行うことが出来る。また、第二制御区間
においては、一定量の電力（制御値Ｉ）だけ、インバー
ター出力が抑えられているので、インバーターの制御遅
れによる逆潮流が発生することがない。さらに、第三制
御区間においては、インバーター出力は、定格（一定）
以上の出力を行わないように制御されるので、同時に複
数の高負荷の電力消費設備が稼働したような場合であっ
ても、原動機（発電機）の定格以上の仕事をさせずに、
機械に負担をかけないことが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る系統連系システムを適用したコー
ジェネレーションシステムの回路図である。

【図２】本発明に係る系統連系システムの出力制御方法
を示す図である。

【図３】三相の商用電力系統にコージェネレーションシ
ステムを適用する実施例を示す図である。

【符号の説明】

Ｗｚ需要電力Ｗｇインバーター出力Ｗｉｎ商用電力Ｉ制御値Ｆ１第一制御区間Ｆ２第二制御区間Ｆ３第三制御区間

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外部商用電源の商用電力と、発電機の発
電電力を、インバーターを介して出力したインバーター
出力とを系統連系し、負荷の需要電力を賄うコージェネ
レーションシステム等の系統連系システムであって、需
要電力量の変化に追従する商用電力による電力供給を行
う第一制御区間と、定格の商用電力と、需要電力量の変
化に追従するインバーター出力と、による電力供給を行
う第二制御区間と、需要電力量の変化に追従する商用電
力と、定格のインバーター出力と、による電力供給を行
う第三制御区間と、の三つの制御区間に分けて制御し、
前記第二制御区間におけるインバーター出力は、需要電
力量よりも一定量少なく出力するように制御される系統
連系システム。