JPH04308427A - 交流電力供給システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、商用電源と自家用発電
装置を連系して負荷に電力を給電する交流電力供給シス
テムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電力エネルギーの多様化や夏期に
おける電力供給の逼迫に対処するため、燃料電池やディ
ーゼルエンジンを常用運転し、商用電源と連系して負荷
に電力を供給する方式が脚光をあびてきた。この場合、
燃料電池等の自家用発電装置は電力だけでなく、発電に
伴って発生する熱エネルギーも空調等に利用するコジェ
ネレーションシステムが主流を成している。商用電源と
自家用発電装置との連系による電力供給方法としては、
一定電力を自家用発電装置から供給し変動負荷分を商用
電源から供給する自家用発電装置によるベースカット方
式とこの逆のピークカット方式が用いられている。

【０００３】ところで、これらの方式はいずれの場合も
電気事業法の適用を受け、自家用発電装置側から商用電
源側へ電力が供給される逆潮流現象を禁じている。この
理由としては、自家用発電装置側から質（周波数，電圧
，高調波等）の悪い電力が配電系統へ流入する事による
他需要家への影響防止や商用異常時（地落，雷害等）の
保護、安全性の確保などのためである。このため、従来
の商用電源と自家用発電装置の連系方式では、逆潮流を
防止する回路が商用電源の入力側に挿入されていた。

【０００４】このような逆潮流を防止する回路を挿入し
た連系方式の交流電力供給システムの従来例の構成を図
３に示す。図において、１は商用電源、２は燃料電池等
の自家用発電装置、３はインバータ装置等の電力変換装
置、４，５はスイッチ、６は負荷である。また、１０は
商用電源の電圧，位相，周波数を検出する同期信号検出
器、１１は商用電源１側の電力検出器、１２は自家用発
電装置２側から商用電源１側に流れる電流を検出する逆
潮流検出器、２１は自家発電設備の出力電圧検出器、３
１は電力変換装置３の制御回路である。

【０００５】この従来例の具体的な接続構成においては
、図３に示されるように、商用電源１の出力に自家用発
電装置２側の電力変換装置３の制御回路３１に商用電源
１側からの同期信号を送出するための同期信号検出器１
０を介して安全保護用のスイッチ４と電力検出器１１を
接続し、更に逆潮流検出器１２を介して負荷６に接続し
ている。また、自家用発電装置２の出力は電力変換装置
３，スイッチ５，電力検出器２１を介して負荷６へ順に
接続されている。なお、同期信号検出器１０、出力電力
検出器１１および２１、逆潮流検出器１２の各信号検出
・送信線、スイッチ４および５を投入・開放するトリガ
ー信号検出線は電力変換装置３の制御回路３１に接続さ
れている。

【０００６】以上のように構成されている従来例の動作
を次に述べるが、その動作の説明にあたって、説明を簡
略化するために、自家用発電装置２は燃料電池、電力変
換装置３は直流を交流に変換するインバータ装置を例と
して記述する。本従来例では、常時、商用電源１からス
イッチ４を介して負荷６に交流電力を供給すると同時に
、燃料電池２から直流出力を受けてインバータ装置３で
交流に変換しスイッチ５を介して負荷６に電力を供給し
ている。この時、インバータ装置３は商用電源１側に設
けた同期信号検出器１０より商用電源の電圧，周波数，
位相信号を制御回路３１で受け、インバータ装置３はこ
の信号により制御され、商用電源１と同期して電力が供
給される。商用電源１とインバータ装置３との電流分担
は、商用電源１とインバータ装置３の出力電圧位相を制
御することにより行われる。具体的には、商用電源１側
の出力電圧に対してインバータ装置３側の出力電圧の位
相をずらす事により行う。商用電源１もしくはインバー
タ装置３側が異常になると、スイッチ４または５を直ち
に開放することにより、負荷６への影響および商用電源
１側，燃料電池２側への影響を最小限にしている。

【０００７】次に、上記従来例の電力供給のタイムチャ
ートの一例を図４の動作モード図に示す。商用電源１と
自家用発電装置２との連系運転方法は前述したように各
種の方法があるが、一般に自家用発電装置２は商用電源
１に比べ負荷変動等に対する過渡応答が遅く、また、運
転効率の点から定格付近で且つ、一定出力で運転するの
が最適である。従って、ここでは商用電源１側の電力が
負荷６の変動分を賄い、燃料電池２側の電力は一定負荷
を賄うという、商用電源１側から見たベースカット給電
方式を例にとって説明する。図４の縦軸は電力、横軸は
時間であり、図中の（１）は商用電源１側からの供給電
力、（２）は燃料電池１側からの供給電力であり、（１
）＋（２）が負荷６への供給電力である。これらの電力
は、各電力検出器１１，２１からの信号を制御回路３１
で受けインバータ装置３の出力電圧の位相を調整するこ
とにより、燃料電池２側の出力電力が常に一定になるよ
うに制御される。ところで、図４からも判るように、負
荷電力が減少し、その値が燃料電池２からの供給電力よ
り小さくなると、燃料電池２側から商用電源１側に電力
が供給されてしまういわゆる逆潮流状態が生じることに
なる。逆潮流は前に述べたように法的により禁止されて
いる。そこで従来は、図４に示すようにＴ点になって負
荷６の電力量が燃料電池２の出力電力より小さくなり、
これにより生ずる逆潮流を逆潮流検出器１２で検出する
と、その信号をインバータ装置３の制御回路３１で受け
、スイッチ５を開放して商用電源１側のみから負荷６に
電力を供給するような方法を採っていた。また、負荷６
が減少のあとに増大に転じ、燃料電池定格出力より大き
くなるとこの逆の動作を行っていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術による交流電力供給システムでは、燃料電池等
の自家用発電装置と商用電源とを連系運転して負荷に電
力を供給する際に、負荷電力が減少して自家用発電装置
側から商用電源側へ電力を供給する、いわゆる逆潮流現
象を防止しなければならないことから逆潮流検出器や遮
断装置を設け常時監視と遮断を行わなければならないた
め、遮断装置の投入・開放時の同期・負荷分担調整など
複雑な機能を必要とし、信頼性，経済性に欠ける問題点
があった。さらに、燃料電池等の自家用発電装置は一般
的に負荷の投入・開放などの大きな変化に対しては、も
ともと応答特性が悪く、大きな出力電圧変動を伴う（特
に燃料電池の定格付近）うえ、コジェネレーションであ
るもう一方の熱エネルギーについても安定供給が困難と
なる。

【０００９】逆潮流現象を防止するためには、燃料電池
２側のスイッチ５を投入・開放する以外に、逆に商用電
源１側のスイッチ４を投入・開放する方法も考えられる
が、前者と同様、負荷変動に伴う出力電圧変動を伴う。 また、この場合にも投入・開放直後の負荷分担を正常に
行おうとすると複雑な制御を必要とし、信頼性，経済性
に多くの問題が生ずる。

【００１０】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたものであり、その目的は、商用電源と燃料電池等
の自家用発電装置を連系して運転し負荷に交流電力を供
給する場合において、負荷減少時の逆潮流現象を原理的
に生じさせないようにし、負荷現象時においても商用電
源または自家用発電装置を遮断したりすることなく常に
自家用発電装置と商用電源とが連系して運転できるよう
にする交流電力供給システムを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の交流電力供給システムにおいては、安定な
交流電力を出力できる電力変換装置を自家用発電装置の
出力に直列に接続し、前記電力変換装置出力と商用電源
とを並列に接続して負荷に電力を供給する交流電力供給
システムにおいて、前記負荷に供給される電力量を検出
する第１の電力検出手段と前記電力変換装置より出力さ
れる電力量を検出する第２の電力検出手段とを設け、前
記第１および第２の電力検出手段により検出された信号
を前記電力変換装置の制御回路に帰還するよう接続構成
し、前記制御回路が常時は前記負荷に供給される電力の
うち前記自家用発電装置から前記電力変換装置を介して
供給される電力を一定出力で供給するとともに該負荷の
変動電力は前記商用電源から供給されるように該電力変
換装置を制御し、前記負荷に供給される電力量が予め設
定した電力量より低下する場合に限り前記負荷の電力量
の変化に応じて前記電力変換装置の出力電力量を変化さ
せるよう該電力変換装置を制御することを特徴としてい
る。

【００１２】

【作用】本発明の交流電力供給システムでは、燃料電池
等の自家用発電装置側の出力と負荷電力とを２つの検出
手段で常時監視し、負荷電力が減少して自家用発電装置
側の設定電力量より少なくなる場合、自家用発電装置に
接続した電力変換装置を制御して自家用発電装置側の出
力電力を減少させ、以後、常に負荷電力より一定の差を
持って自家用発電装置の出力を供給する。これにより原
理的に逆潮流現象を生じさせず、常に商用電源と自家発
電装置の連系運転を可能にする。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳
細に説明する。

【００１４】図１は本発明の一実施例の構成図を示す。 本実施例の構成部分として、図中の１は商用電源、２は
燃料電池等の自家用発電装置、３はインバータ装置等の
電力変換装置、４および５はスイッチ、６は負荷である
。また、１０は商用電源１の電圧，周波数，位相を検出
する同期信号検出器、３０はインバータ装置等の電力変
換装置３の演算機能を持った制御回路、２１は燃料電池
等の自家用発電装置２の電力検出器、６１は負荷６の電
力検出器である。これらの構成部分のうち図３の従来例
と共通している部分は、同一番号を付してある。

【００１５】本実施例の接続構成においては、商用電源
１の出力に同期信号検出器１０を介してスイッチ４を接
続し、その出力を負荷６の電力検出器６１を介して負荷
６に接続する。また、燃料電池等の自家用発電装置２の
出力にはインバータ装置等の電力変換装置３を接続し、
該電力変換装置３の出力にスイッチ５，電力検出器２１
を接続し、上記電力検出器６１を介して負荷６に接続し
ている。一方、同期信号検出器１０，電力検出器２１，
６１の信号線は電力変換装置３の制御回路３０に接続さ
れており、スイッチ４および５の遮断信号線も制御回路
３０に接続されている。さらに、制御回路３０からは自
家用発電装置２の燃料供給を制御する信号線が自家用発
電装置２に接続されている。

【００１６】以上のように構成した一実施例の動作およ
び作用を述べる。ただし、本実施例の動作を説明するに
あたり、ここでも説明を容易にするために、自家用発電
装置２は燃料電池、電力変換装置３は直流電力を交流電
力に変換するインバータ装置として記述する。

【００１７】本実施例の動作においては、常時、商用電
源１からスイッチ４を介して負荷６に電力を給電すると
ともに、燃料電池２からもインバータ装置３を介して交
流電圧に変換した電力を負荷６に供給している。この場
合、燃料電池２の出力は直流電圧であるので、インバー
タ装置３により交流に変換する。この時の商用電源１側
との同期は、商用電源１側に設けた同期信号検出器１０
から商用電源１の電圧，周波数，位相を信号としてイン
バータ装置３の制御回路３０で受け、この信号によりイ
ンバータ装置３を制御して採られている。これによりイ
ンバータ装置３の出力は商用電源２と同期して運転され
る。商用電源２とインバータ装置３との電力分担は、商
用電源１とインバータ装置３の出力電圧の位相を制御す
ることにより行う。具体的には商用電源１側の出力電圧
とインバータ装置３側の出力電圧の位相が同相の場合に
は商用電源１側からのみ電力を供給する。これに対し、
商用電源１側よりインバータ装置３側の出力電圧の位相
を進めるとその進めた位相差によりインバータ装置３側
の出力電力を分担することになる。但し、何度位相を進
ませれば分担率がどう変化するかは商用電源１およびイ
ンバータ装置３の出力インピーダンスによって異なる。 スイッチ４および５は、本実施例では商用電源１の地落
やインバータ装置３が故障もしくは同期が大幅にずれた
場合等の異常時に速やかに開放し、負荷６側への影響を
最小減にするために使用される。

【００１８】次に、このような実施例の電力供給のタイ
ムチャートの一例を図２の動作モード図により説明する
。自家用発電装置である燃料電池やディーゼル発電装置
は商用電源に比べ負荷急変等に対する応答特性が悪い。 また、これらの装置は定格付近で運転するのが最も効率
が良い。従って、自家用発電装置と商用電源とを連系運
転する場合、自家用発電装置は定格付近でかつ一定出力
で電力を供給し、負荷変動分は商用電源側から給電を行
うという、自家用発電装置からみるとベースカット給電
を行って使用するのが一般的であり、本実施例でもベー
スカット給電を使用する。図２において、縦軸は電力、
横軸は時間であり、図中の（１）は商用電源１からの供
給電力、（２）は燃料電池２からの供給電力であり、（
１）＋（２）が負荷６全体への供給電力である。 図からも明らかなように負荷電力はたえず変動している
。この負荷変動に対しインバータ装置３では電力検出器
２１からの信号を受け、常時は負荷変動にかかわらず出
力電力が一定になるように制御され、変動分は商用電源
１側で賄われる。インバータ装置３の入力電源である燃
料電池２は定格付近で運転するのが最も効率が高く経済
的であるので、定格付近の一定電力で運転される。また
、インバータ装置３の出力電力の調整は負荷電力検出器
６１の信号とインバータ装置３の出力の電力検出器３１
の信号を制御回路３０で受け、インバータ装置３の出力
電圧位相を調整することにより行う。ところが、図２か
らも明らかなように負荷６が大きく変化し、インバータ
装置３側の定格電力より負荷電力のほうが小さくなる状
態が生じるとインバータ装置３から商用電源２に電流が
流れるいわゆる逆潮流現象が発生する。これを防止する
ため本実施例では、負荷電力量と燃料電池２側からの供
給電力量を電力検出器６１，２１により常に検出し、負
荷電力量が減少して燃料電池２側の予め設定していた値
（一般的には定格電力量）との差が図２に示したように
△になると、負荷電力量の減少に見合って燃料電池３の
出力に設けたインバータ装置３の位相を変化させ、燃料
電池２側からの出力電力量をリニアに変化させる。この
制御は電力検出器６１，２１の信号を制御回路３０で受
け、制御回路３０内に設けた演算回路からの信号により
インバータ装置３の出力電圧位相を変化させることによ
り行う。ここで、△の値は燃料電池２の運転効率を高め
るため、出来るだけ少ない電力差を採り、且つその動作
点は燃料電池定格値＋△に設定する。また、負荷６が減
少から増加に転じていく場合には、この逆の動作を行う
。この場合、負荷電力が燃料電池２側から供給される設
定出力電力より△以上に増大すると、燃料電池２の出力
は以後予め設定した一定電力で供給される。このことに
より、原理的に逆潮流現象が生じなくなるばかりでなく
、燃料電池等の自家用発電装置２を最も効率よく運転で
きるようになり、経済的である。

【００１９】なお、上述したように自家発電装置２であ
る燃料電池が一定出力で電力を供給している場合、燃料
電池の燃料である都市ガス等は一定に供給すればよいが
、燃料電池出力を減少させる場合それに見合って燃料供
給量を適正に減少させるのが最も経済的である。従って
、インバータ装置３からの供給電力量が前述のように減
少した場合、その信号を制御回路３０から燃料電池２の
燃料供給制御部に信号を送出し、燃料供給量を制御する
方法を採るとより、効率的な運転ができ経済的な交流電
力供給システムを構成することができる。さらに、この
ような方法でなく、予め商用電源側と燃料電池側との電
力分担率（％）を決めておいて運転する方法も考えられ
る。ただし、この方法では、上記実施例に比べて、負荷
電力が燃料電池供給出力より大きい通常の連系運転時に
おいて、最大負荷変動を考慮して電力分担率を設定する
必要があるため、燃料電池出力の設定を定格付近に設定
することができず、効率的な運転が出来ないうえ、燃料
電池等の自家用発電装置は一般に商用電源に比べ出力イ
ンピーダンスが大きく負荷変動するたびに出力電圧変動
を伴い高品質な電力供給にも支障が生じることになる。 また、常時燃料電池出力が変化するため、安定な熱エネ
ルギーの供給も困難である。

【００２０】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
交流電力供給システムは、商用電源と自家用発電装置を
連系して運転する場合において、自家用発電装置を最も
効率良く運転出来るうえ、逆潮流現象を原理的に生じな
い利点がある。従って、従来の構成のように逆潮流検出
器を設け負荷が減少し逆潮流が生じたのを検出して自家
用発電装置側もしくは商用電源側を遮断するような構成
は必要なく、常時、連系運転が可能であるうえ、設備費
用が安価で且つランニングコストの低減が図れるので、
経済性や負荷変動に伴う出力電圧変動が少なく、高品質
な電力の供給ができるという特長を有している。

【００２１】また、請求項２の発明によれば、自家用発
電装置として燃料電池を用いその燃料供給を上記負荷減
少時の電力量に応じて制御でき、特に効率的で経済的な
コジェネレーションシステムを構築できる利点が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成図

【図２】上記実施例の動作モード図

【図３】従来例を示す構成図

【図４】上記従来例の動作モード図

【符号の説明】

１…商用電源、２…自家用発電装置、３…電力変換装置
、４，５…スイッチ、６…負荷、１０…同期信号検出器
、２１，６１…電力検出器、３０…制御回路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　安定な交流電力を出力できる電力変換
   装置を自家用発電装置の出力に直列に接続し、前記電力
   変換装置出力と商用電源とを並列に接続して負荷に電力
   を供給する交流電力供給システムにおいて、前記負荷に
   供給される電力量を検出する第１の電力検出手段と前記
   電力変換装置より出力される電力量を検出する第２の電
   力検出手段とを設け、前記第１および第２の電力検出手
   段により検出された信号を前記電力変換装置の制御回路
   に帰還するよう接続構成し、前記制御回路が常時は前記
   負荷に供給される電力のうち前記自家用発電装置から前
   記電力変換装置を介して供給される電力を一定出力で供
   給するとともに該負荷の変動電力は前記商用電源から供
   給されるように該電力変換装置を制御し、前記負荷に供
   給される電力量が予め設定した電力量より低下する場合
   に限り該負荷の電力量の変化に応じて前記電力変換装置
   の出力電力量を変化させるよう該電力変換装置を制御す
   ることを特徴とする交流電力供給システム。
2. 【請求項２】　　請求項１記載の交流電力供給システム
   において、自家用発電装置が外部からの信号に応じて燃
   料供給量を調節する機能を有する燃料供給量調節部を内
   臓した燃料電池であって、第１および第２の電力検出手
   段により検出された信号が前記燃料供給量調節部に帰還
   され、負荷に供給される電力量が予め設定した電力量よ
   り低下する場合に限り、前記燃料供給量調節部が前記負
   荷の電力量の変化に応じて前記燃料供給量を制御するこ
   とを特徴とする交流電力供給システム。