自立電源装置

【課題】周波数変動がなく、容易にディーゼル発電機の起動停止が可能で、軽負荷運転時の運転制限の影響が少ない自立電源装置を得る。
【解決手段】自然エネルギーを利用した分散電源１及びディーゼル発電機５を備え商用電源から切り離された自立電源装置であって、蓄電装置４に直流側が接続されたＤＣ／ＡＣ変換器１２は常時自立運転し、上記ディーゼル発電機はＡＣ／ＤＣ変換器１１を介して上記蓄電装置に接続され、制御装置８からディーゼル発電機には起動・停止指令と発電機が出力するべき電力指令を送出することで出力端の周波数変動がなく、ディーゼル発電機の容易な運転を可能とする自立電源装置。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、離島や船舶用電源のように商用電源から切り離された電源において太陽光発電や風力発電のような自然エネルギーを利用した分散電源が接続される自立電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
離島や船舶用電源のように商用電源から切り離された自立電源装置においては、連続運転が必要であることから燃費を考慮してディーゼルエンジンなどの内燃機関を利用した発電機を使用している。
【０００３】
近年、燃料の削減とＣＯ２削減を目的に、太陽光発電や風力発電のような自然エネルギーを利用した分散電源が発電機に接続されるケースが増えており、これら分散電源を使用した電源装置の安定運転技術が重要となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２７７９７号公報（図１及びその説明）
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「太陽光発電システムの設計と施工」（Page41、株式会社オーム社、太陽光発電懇話会）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
太陽光発電装置の基本構成は、「太陽光発電システムの設計と施工」（Page41、株式会社オーム社、太陽光発電懇話会）にも記載されているが、図９に示すように太陽光パネル１を直流として、ＤＣをＡＣに変換する変換器ＤＣ／ＡＣとリアクトル２０を内蔵した太陽光パワーコンディショナ（以下「パワコン」と略記する）２から成り立っている。
【０００７】
太陽光パワコンは、通常の運転として系統電源を基準として運転する連系運転モードと自立運転モードを有している。
【０００８】
通常の運転モードである連系運転モードでは、太陽光パワコン２は系統電圧を常に監視しており出力を増加させたい場合には、太陽光パワコン２の内の素子ゲートの点弧を従前よりも早めに動作させ、結果として、ベクトル図を図１０に示すように、太陽光パワコン２の出力の位相を系統電圧より進みとなるよう動作する。
【０００９】
結果として、連系運転モードで太陽光パワコンは、太陽光パネルのエネルギーを系統に対して電流源として流し込むことができる。
【００１０】
自立運転モードは、太陽光パワコンが基準となり負荷への給電を行うものである。
【００１１】
従来の商用電源から自立した自立電源装置では、図１１に示すように構成されており、ディーゼル発電機を基準の電圧として、太陽光発電は母線電圧に太陽光パワコンの交流電圧を常時同期させる連系運転を行っており、太陽光パネルの発電ｋＷを電流源として、母線に流し込む。
【００１２】
この電源装置において、負荷の消費電力と、太陽光パネル１と太陽光パワコン２から交際される太陽光発電およびディーゼル発電機５の発生電力は常に一致させる必要がある。
【００１３】
太陽光発電の電力比率を高めようとすると、これが供給電力の変動分要素となり、負荷が必要な需供関係が崩れ、発電機の周波数が増減となり最悪は装置停止に至る。
【００１４】
このため、図１２に示すように二次蓄電池などのエネルギー蓄積要素を持つＤＣ／ＡＣ変換器に、日中の太陽光発電の余剰分を二次電池に充電し、夜間等の太陽光発電が出来ない時間に放電する構成を組む必要がある。
【００１５】
この構成の場合、ディーゼル発電機の最大容量は太陽光発電停止と二次電池停止時を考慮した負荷容量以上の選定が必要である。
【００１６】
また、一方ではディーゼル発電機は定格の５０％程度以下の軽負荷で運転すると燃料噴射圧力が低くなり燃料が上手く燃焼せず、排気管からオイルが滴ることや、黒煙が多量に発生し排気管からオイルが滴るような状況において、突然高負荷で運転を行うと内部機構が故障することがありため、ディーゼルエンジンを選定では、常に全負荷に近い運転が出来るよう、余裕を持たせ過ぎないよう小さ目の選定が必要である。
【００１７】
このように、ディーゼル発電機は（１）５０％等の軽負荷での運転禁止制限があり、需給制御装置が煩雑である。また、（２）出力端における基準電圧であることから負荷給電停止できない。（３）ディーゼル発電機は回転機械であることから軸ベアリングを持ち、法規で定めた定期点検が必要でありメンテナンス時には負荷への給電も停止する必要といった問題があった。
【００１８】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、周波数変動がなく、容易にディーゼル発電機の起動停止が可能で、軽負荷運転時の運転制限の影響が少ない自立電源装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
この発明に係る自立電源装置は、自然エネルギーを利用した分散電源及びディーゼル発電機を備え商用電源から切り離された自立電源装置であって、蓄電装置に直流側が接続されたＤＣ／ＡＣ変換器は常時自立運転し、上記ディーゼル発電機はＡＣ／ＤＣ変換器を介して上記蓄電装置に接続され、制御装置からディーゼル発電機には起動・停止指令と発電機が出力するべき電力指令を送出することで出力端の周波数変動がなく、ディーゼル発電機の容易な運転を可能とするものである。
【発明の効果】
【００２０】
この発明は、自然エネルギーを利用した分散電源及びディーゼル発電機を備え商用電源から切り離された自立電源装置であって、蓄電装置に直流側が接続されたＤＣ／ＡＣ変換器は常時自立運転し、上記ディーゼル発電機はＡＣ／ＤＣ変換器を介して上記蓄電装置に接続され、制御装置からディーゼル発電機には起動・停止指令と発電機が出力するべき電力指令を送出することで出力端の周波数変動がなく、ディーゼル発電機の容易な運転を可能とするので、母線の電圧と周波数はディーゼル発電機のような変動は無く、負荷が軽い状況での運転も可能となる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】この発明の実施の形態１を示す図で、構成の事例を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態２を示す図で、構成の事例を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態３を示す図で、構成の事例を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態３を示す図で、２次電池の直流電圧を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態４を示す図で、構成の事例を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態４を示す図で、ディーゼル発電機とＤＣ／ＡＣ変換器の電圧垂下特性の例を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態５を示す図で、構成の事例を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態５を示す図で、ディーゼル発電機とＤＣ／ＡＣ変換器と太陽光パワコンの電圧垂下特性の例を示す図である。
【図９】太陽光パワコンの連系運転原理を示す図である。
【図１０】連系運転時のベクトル図を示す図である。
【図１１】従来の構成を示す図である。
【図１２】従来の従来の二次電池を持つ構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図３に基づいて説明する。図３において，５はディーゼル発電機，１は太陽光発電を構成する太陽光パネル、２は同じく太陽光パネルの直流（ＤＣ）を交流（ＡＣ）に変換する太陽光パワーコンディショナ（以下「パワコン」と略記する）である。
【００２３】
１１はＡＣ／ＤＣ変換器、１２はＤＣ／ＡＣ変換器、４は二次電池、６は負荷、１４〜１６は電力センサ、１３は二次電池の充電状態を管理する充電状態監視センサ制御装置である。充電状態監視センサ１３は二次電池の電圧と二次電池に流れる電池電流、温度等の情報を基にして、充電の状態を把握するものである。
【００２４】
なお図面上、ディーゼル発電機５は、発電機のインピ−ダンスを考慮して、電圧源である交流電源と内部リアクタンスで表現する。
【００２５】
次に動作について説明する。
【００２６】
まず、ＤＣ／ＡＣ変換器１２は、直流電源である二次電池４を基に交流電圧を出力母線７に出力する。太陽光パワコン２は、母線電圧を基準としてパワコンの主回路を制御し、連系運転を行う。太陽光パワコン２は太陽光パネル１のエネルギーを電流源として、出力母線７に電力を供給し、出力母線７に接続される負荷６が需用として電力を消費する。
【００２７】
ディーゼル発電機５は、ＡＣ／ＤＣ変換器１１の交流側に接続される。ＡＣ／ＤＣ変換器１１は、制御装置８からの電力指令に従って発電機の交流を直流に変換し、二次電池４に充電を行う。
【００２８】
充電状態監視センサ１３は、二次電池４の充電状態を管理する制御装置であり、１４は負荷への電力を計測する電力センサ、１５は太陽光発電の電力を測定する電力センサ、１６は二次電池と出力母線間の電力を測定する電力センサである。
【００２９】
制御装置８は、電力センサ１４〜１６の電力測定値と充電状態監視センサ１３の状態を基にディーゼル発電機５へ電力指令と起動停止の指令を送る。
【００３０】
ここで、自立電源装置内の電力需給を考えると、需要側は負荷６への電力であり電力センサ１４の値、供給側は太陽光発電の電力とディーゼル発電機・二次電池の電力になる。
【００３１】
ＤＣ／ＡＣ変換器１２は、自らが基準周波数に基づき電圧を出力するため変動することはなく、（１）太陽光発電に比べ、負荷電力が大きければ二次電池から放電し二次電池４
の電圧が下がる方向、（２）太陽光発電に比べ、負荷電力が小さければ二次電池へ充電し二次電池４の電圧が上がる方向に動作する。
【００３２】
この充放電電力は、自立電源装置内の需要電力と供給電力の関係で自動的に決まる。
【００３３】
二次電池４は電池として使用可能範囲を持っており、制御装置８は二次電池４の充電状態が閾値以下になった場合は、ディーゼル発電機５を起動し制御装置８からの電力指令により運転をする。逆に充電状態が閾値以上になった場合は、ディゼ−ル発電機５を停止して二次電池として使用可能範囲な範囲にする。
【００３４】
ディーゼル発電機５は、二次電池４の充電状態が閾値以下になったら定格容量で充電ができ先に述べたようなディーゼル機関が持つ最低運転容量以上での運転を気にする必要が無い。
【００３５】
また、ディーゼル発電機５を停止しても自立電源装置としても負荷には影響せずに運転が可能である。このため、回転機器に特有の定期的なベアリング点検も負荷への給電を継続したまま行うことも可能な効果がある。
【００３６】
出力母線の電圧は、自立運転をしているＡＣ／ＤＣ変換器１２が支配するため、出力周波数は５０Ｈｚ、６０Ｈｚ、４００Ｈｚのように一定であり、発電機のように変動することはなく、電圧も変動しない。
本実施の形態係る自立電源装置は、ディーゼル発電機にＡＣ／ＤＣ変換器（整流器）を設け蓄電池を充電し、蓄電池を基にＤＣ／ＡＣ変換器（インバータ）を用いて交流に変換し負荷に供給するものである。
ディーゼル発電機は常に一定負荷での運転が可能となり効率のよい運転が可能で、蓄電池の状態による起動停止が可能であり、満充電になった場合は停止しても負荷には影響しない。
【００３７】
図１では太陽光発電として、太陽光パネル１と太陽光パワコン２で記載したが、風力発電のような自然エネルギーを利用した分散電源でも同様の効果が得られる。
【００３８】
また、４を二次電池として説明したが、エネルギー蓄積要素であればよく、代わりにスーパキャパシタ（電気二重層コンデンサ）を使用しても同様の効果を得ることができる。
【００３９】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、ディーゼル発電機は起動・停止指令と電力指令値を受けるようにしていたが、本実施の形態２では、初期値としてディーゼル発電機のエンジンとして最も効率が良い出力に設定し、運転・停止させる。このため、ディーゼル発電機の燃費の向上を図ることができ経済的に優れた装置を得ることができる。
【００４０】
この場合、図２に例示のようにディーゼルエンジンは一定出力で運転することができるため、出力変化に伴う耳障りな騒音の変化についても削減する効果がある。
【００４１】
実施の形態３．
上記実施の形態１では、ＡＣ／ＤＣ変換器１１はディーゼル発電機５から二次電池４への充電方向のみとしたが、本実施の形態３では、ＡＣ／ＤＣ変換器１１の制御として逆方向である二次電池４からディーゼル発電機５への回生機能を持たせ、図３に示すような負荷側の不平衡電流に起因する二次電池の交流リップル電圧（自立電源出力周波数の２倍）に対して、リップル電圧が高いポイントに対してはディーゼル発電機５へ回生、リップル電圧が低いポイントに対してはディーゼル発電機からＡＣ／ＤＣ変換器へ流れる制御を行
う。
【００４２】
これにより、ディーゼル発電機５の周波数は、基本周波数に自立電源出力周波数の２倍のリップルを持ち運転することになるが、二次電池としてはリップル電圧の大きさが低減されることから二次電池の寿命低下を避け、二次電池の寿命を延ばす効果がある。
【００４３】
実施の形態４．
上記実施の形態１では、ディーゼル発電機５は二次電池４への充電の機能のみであったが、本実施の形態４では、図５に示すようにサーキットブレーカ１７を設ける。
【００４４】
図６に示すようにディーゼル発電機５とＤＣ／ＡＣ変換器１２に出力電流に対する電圧垂下特性を持たせ、かつＤＣ／ＡＣ変換器１２の制御として、系統周波数と自らの発生周波数との差を補正させる機能を設けることで、ディーゼル発電機５とＤＣ／ＡＣ変換器１２を並列運転可能とすることができる。
【００４５】
この方式により、出力端５の電圧はＤＣ／ＡＣ変換器の電圧となるが、発電機とＤＣ／ＡＣ変換器が電力を分担することになり、ＡＣ／ＤＣ変換器１１が故障した場合においても負荷への供給が可能であり、装置の信頼性を向上させる効果がある。
【００４６】
実施の形態５．
上記実施の形態４で、ディーゼル発電機５とＤＣ／ＡＣ変換器１１は自立モードで並列運転するが、図７，図８に例示のように、太陽光パワコン２についても自立モードでの垂下特性を持たせ、かつ太陽光パワコン２の制御として、系統周波数と自らの発生周波数との差を補正させる機能を設けることで、ディーゼル発電機５及びＤＣ／ＡＣ変換器１２と太陽光パワコン２を並列運転可能とすることで、需要と供給の制御が不要となり、制御装置の処理を簡略化できる効果がある。
【００４７】
なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【符号の説明】
【００４８】
１太陽光パネル（分散電源）、
２太陽光パワコン（太陽光パワーコンディショナ）、
４二次電池（蓄電装置）、
５ディーゼル発電機、
６負荷、
７出力母線、
８制御装置、
１１ＡＣ／ＤＣ変換器、
１２ＤＣ／ＡＣ変換器、
１３充電状態監視装置、
１４電力センサ、
１５電力センサ、
１６電力センサ、
１７サーキットブレーカ、
１９トランス、
２０リアクトル。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
自然エネルギーを利用した分散電源及びディーゼル発電機を備え商用電源から切り離された自立電源装置であって、蓄電装置に直流側が接続されたＤＣ／ＡＣ変換器は常時自立運転し、上記ディーゼル発電機はＡＣ／ＤＣ変換器を介して上記蓄電装置に接続され、制御装置からディーゼル発電機には起動・停止指令と発電機が出力するべき電力指令を送出することで出力端の周波数変動がなく、ディーゼル発電機の容易な運転を可能とする自立電源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の自立電源装置において、ディーゼル発電機を効率のよい出力電力で運転し、上記制御装置からディーゼル発電機に起動・停止指令を与えることでディーゼル発電機の効率を向上させること特徴とする自立電源装置。
【請求項３】
請求項１に記載の自立電源装置において、上記ＡＣ／ＤＣ変換器を上記制御装置から制御して上記蓄電装置から上記ディーゼル発電機への回生機能を持たせ、負荷側の不平衡電流に起因する上記蓄電装置の交流リップル電圧に対して、リップル電圧が高いポイントに対しては上記ディーゼル発電機へ回生し、リップル電圧が低いポイントに対しては上記ディーゼル発電機から上記ＡＣ／ＤＣ変換器へ流れる制御を行うよう二次電池電圧の交流リップル電圧のエネルギーを上記ディーゼル発電機の回転エネルギーとして吸収させ、上記蓄電装置の交流リップル電圧を低減させることを特徴とする自立電源装置。
【請求項４】
請求項１に記載の自立電源装置において、上記ディーゼル発電機から負荷に対してサーキットブレーカを設け上記ディーゼル発電機から負荷端に給電し、かつ、上記ディーゼル発電機と上記ＤＣ／ＡＣ変換器とに出力電流に対する電圧垂下特性を持たせ、かつ上記制御装置から制御して上記ＤＣ／ＡＣ変換器に、系統周波数と自らの発生周波数との差を補正させる機能を設けることで、上記ディーゼル発電機と上記ＤＣ／ＡＣ変換器を並列運転可能とすることができることを特徴とする自立電源装置。
【請求項５】
請求項４に記載の自立電源装置において、上記ディーゼル発電機から負荷に対してサーキットブレーカを設け上記ディーゼル発電機から負荷端に給電し、かつ、上記ディーゼル発電機と上記ＤＣ／ＡＣ変換器と太陽光パワーコンディショナとに出力電流に対する電圧垂下特性を持たせ、かつ上記制御装置から制御して上記ＤＣ／ＡＣ変換器と上記太陽光パワコンとに、系統周波数と自らの発生周波数との差を補正させる機能を設けることで、上記ディーゼル発電機と上記ＤＣ／ＡＣ変換器と上記太陽光パワコンを並列運転可能とすることができることを特徴とする自立電源装置。

【図１】