JP2016021851A - 熱動力発電装置及び熱動力発電システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
熱動力発電装置1は、商用系統8における電圧に基づいて、通常モード及び特定モードを含む複数のモードから1つの運転モードを選択する制御回路7を備える。通常モードは、インバータ5から出力される交流出力電力を調整することによって直流電力線13における直流電圧を目標電圧に追従させる運転モードである。特定モードは、電力吸収部6によって吸収される直流電力を調整することによって、及び/又は、熱機関に供給される単位時間当たりの供給熱の量を調整することによって、直流電圧を目標電圧に追従させる運転モードである。
【選択図】図1
Description
熱の供給源から供給された熱から機械的動力を取り出す熱機関と、
前記機械的動力から交流電力を生成する発電機と、
前記交流電力から直流電力を生成するコンバータと、
前記コンバータと直流電力線を介して接続され、直流電力から交流電力を生成し、前記交流電力を商用系統へと出力するインバータと、
前記コンバータと前記インバータとを接続する前記直流電力線に接続され、前記コンバータから前記インバータに向かう前記直流電力の一部又は全部を吸収する電力吸収部と、
前記商用系統の電圧低下及び電圧回復を検出して、通常モード及び特定モードを含む複数のモードから1つの運転モードを選択する制御回路と、を備え、
前記制御回路は、
前記通常モードを選択した場合、前記インバータを制御して、前記インバータから出力される前記交流電力を調整し、前記直流電力線における直流電圧を目標電圧に追従させ、
前記特定モードを選択した場合、前記インバータを制御して前記インバータから出力される前記交流電力を調整し、前記直流電力線における直流電圧を目標電圧に追従させ、且つ前記電力吸収部を制御して前記直流電力の一部又は全部を前記電力吸収部に吸収させ、
前記特定モードにおいて、前記インバータから出力される前記交流電力は、ゼロよりも大きく、かつ前記通常モードにおいて前記インバータから出力される前記交流電力よりも小さい、
ものである。
商用系統に連系される分散電源装置は、電力を生成し、その電力を商用系統に供給できる。通常時においては、商用系統は、大きな電力を供給又は消費する。商用系統では、瞬時的に電圧が低下すること、及び停電等の系統異常が発生することがある。系統異常が発生した時に分散電源が商用系統への電力供給を継続すると、商用系統に電圧が印加され続けるため、保安上問題となる。商用系統に連系される分散電源装置には、このような場合に備えて、発電を停止して商用系統との接続を解除する系統連系保護機能が与えられていることがある。系統連系保護機能は、上述の保安上の問題を回避し得る。
本発明者らは、商用系統に連系される分散電源装置としての熱動力発電装置を実現すべく鋭意検討したところ、以下に説明する各態様の発明を想到するに至った。
熱の供給源から供給された熱から機械的動力を取り出す熱機関と、
前記機械的動力から交流電力を生成する発電機と、
前記交流電力から直流電力を生成するコンバータと、
前記コンバータと直流電力線を介して接続され、直流電力から交流電力を生成し、前記交流電力を商用系統へと出力するインバータと、
前記コンバータと前記インバータとを接続する前記直流電力線に接続され、前記コンバータから前記インバータに向かう前記直流電力の一部又は全部を吸収する電力吸収部と、
前記商用系統の電圧低下及び電圧回復を検出して、通常モード及び特定モードを含む複数のモードから1つの運転モードを選択する制御回路と、を備え、
前記制御回路は、
前記通常モードを選択した場合、前記インバータを制御して、前記インバータから出力される前記交流電力を調整し、前記直流電力線における直流電圧を目標電圧に追従させ、
前記特定モードを選択した場合、前記インバータを制御して前記インバータから出力される前記交流電力を調整し、前記直流電力線における直流電圧を目標電圧に追従させ、且つ前記電力吸収部を制御して前記直流電力の一部又は全部を前記電力吸収部に吸収させ、
前記特定モードにおいて、前記インバータから出力される前記交流電力は、ゼロよりも大きく、かつ前記通常モードにおいて前記インバータから出力される前記交流電力よりも小さい、
ものである。
図1に、構成例1の熱動力発電装置1を示す。熱動力発電装置1では、熱機関20と、発電機3と、コンバータ4と、インバータ5と、電力吸収部6と、制御回路7と、が設けられている。熱動力発電装置1は、商用系統8に電気的に接続される。
熱機関20は、動力取出部24と、供給熱調整部21とを含んでいる。熱機関20は、熱エネルギー源と熱的に接続される。
発電機3は、熱機関20の動力取出部24に連結されている。発電機3のロータは、動力取出部24によって回転させられる。つまり、発電機3は、動力取出部24によって取り出された機械的動力から、交流発電電力Pgを生成する。つまり、発電機3は、動力取出部24で生成された運動エネルギーを、電気エネルギーに変換する。
インバータ5には、コンバータ4で生成された直流電力Pdcの一部又は全部が入力される。本構成例では、インバータ5に、直流電力Pdcから電力吸収部6による吸収分を差し引いた直流電力が入力される。インバータ5は、入力された直流電力から交流出力電力Poを生成する。交流出力電力Poは、交流電力線14を介して商用系統8に供給される。交流出力電力Poの周波数は、商用系統8に適合するように設定される。インバータ5の出力電圧も、商用系統8に適合するように設定される。交流出力電力Po及び出力電圧に応じた電流が、商用系統8に流れ込む。
電力吸収部6は、直流電力線13及び分岐電力線15を介して、コンバータ4及びインバータ5に電気的に接続されている。分岐電力線15は、直流電力線13から分岐している。コンバータ4からインバータ5に向かう直流電力Pdcの一部又は全部(直流電力Pb)は、電力吸収部6に吸収される。図2〜図4に、電力吸収部6の例を示す。
制御回路7は、熱動力発電装置1の運転モードを選択する。運転モードは、複数のモードから選択される。複数のモードには、通常モード及び特定モードが含まれる。
以下、熱動力発電装置1が行う制御の例を、図5を用いて説明する。図5のフローチャートは、運転モードが通常モードに設定されている状態から始まる。
図5で示したように、熱動力発電装置1では、通常モードに設定されていた運転モードが、特定モードに一旦切り替えられ(ステップS103)、その後通常モードに切り替えられる(ステップS108)場合がある。この場合のタイムチャートを、図6(a)に示す。
また、図5で示したように、熱動力発電装置1では、通常モードに設定されていた運転モードが特定モードに切り替えられ(ステップS103)、その後、交流出力電力Poをゼロにして(ステップS109)、熱動力発電装置1の運転を停止する場合がある。この場合のタイムチャートを、図6(b)に示す。
以下、構成例2の熱動力発電装置について説明する。なお、構成例2では、構成例1と同様の部分については、同一符号を付し、説明を省略する。
以下、熱動力発電装置101が行う制御の例を、図8を用いて説明する。
図8で示したように、熱動力発電装置101では、通常モードに設定されていた運転モードが、特定モードに一旦切り替えられ(ステップS103)、その後通常モードに切り替えられる(ステップS108)場合がある。この場合のタイムチャートを、図9(a)に示す。
また、図8で示したように、熱動力発電装置101では、通常モードに設定されていた運転モードが、特定モードに切り替えられ(ステップS103)、その後、交流出力電力Poをゼロにして(ステップS109)、熱動力発電装置101の運転を停止する場合がある。この場合のタイムチャートを、図9(b)に示す。
以下、構成例3の熱動力発電装置について説明する。なお、構成例3では、構成例2と同様の部分については、同一符号を付し、説明を省略する。
以下、熱動力発電装置201が行う制御の例を、図11を用いて説明する。
図11で示したように、熱動力発電装置201では、通常モードに設定されていた運転モードが、特定モードに一旦切り替えられ(ステップS103)、その後通常モードに切り替えられる(ステップS108)場合がある。この場合のタイムチャートを、図12(a)に示す。
また、図11で示したように、熱動力発電装置201では、通常モードに設定されていた運転モードが、特定モードに切り替えられ(ステップS103)、その後、交流出力電力Poをゼロにして(ステップS109)、熱動力発電装置201の運転を停止する場合がある。この場合のタイムチャートを、図12(b)に示す。
以下、構成例4の熱動力発電装置について説明する。なお、構成例4では、構成例1と同様の部分については、同一符号を付し、説明を省略する。
具体的に、制御回路72は、商用系統8の電圧の周波数(系統周波数Fac)を取得する。制御回路72は、系統周波数Facを用いて、商用系統8の周波数上昇のタイミング及び周波数低下(回復)のタイミングを検出する。商用系統8の周波数上昇のタイミングは、商用系統8の電圧降下のタイミングに対応する。商用系統8の周波数低下(回復)のタイミングは、商用系統8の電圧上昇(回復)のタイミングに対応する。以下、熱動力発電装置301が行う制御について、図14を用いて説明する。
図14で示したように、熱動力発電装置301では、通常モードに設定されていた運転モードが、特定モードに一旦切り替えられ(ステップS103)、その後通常モードに切り替えられる(ステップS108)場合がある。この場合のタイムチャートを、図15(a)に示す。
また、図14で示したように、熱動力発電装置301では、通常モードに設定されていた運転モードが、特定モードに切り替えられ(ステップS103)、その後、交流出力電力Poをゼロにして(ステップS109)、熱動力発電装置301の運転を停止する場合がある。この場合のタイムチャートを、図15(b)に示す。
商用系統8の電圧が大幅に変動した場合に、制限時間te1の経過を待たずに、熱動力発電装置1の運転を停止することもできる。この技術を図1及び図6の例に付加した構成例について、図16のタイムチャートを用いて説明する。
図1に示す熱機関20として、図17に示すような熱機関30を用いることができる。以下、図17に示す熱動力発電装置401について説明する。なお、図1と同様の部分については、同一符号を付し、説明を省略する。
熱機関30に代えて、図18に示す熱機関40を用いることもできる。以下、図18に示す熱動力発電装置501について説明する。なお、熱動力発電装置401と同様の部分については、同一符号を付し、説明を省略する。
熱機関30に代えて、図19に示す熱機関50を用いることもできる。以下、図19に示す熱動力発電装置601について説明する。なお、熱動力発電装置401と同様の部分については、同一符号を付し、説明を省略する。
また、熱機関として、ガスエンジン、ガスタービン、蒸気タービン等を使用することもできる。これらも、熱エネルギーを運動エネルギーに変換できる。
図20に、熱動力発電装置401と、ボイラー81と、冷却手段91を含む熱動力発電システム700を示す。
ボイラ81に代えて、図21に示す排熱源(熱源)82を用いることもできる。以下、図21に示す熱動力発電システム800について説明する。
3 発電機
4 コンバータ
5 インバータ
6 電力吸収部
7,70,71,72 制御回路
8 商用系統
10 接続点
11 連系点12 交流電力線
13 直流電力線
14 交流電力線
15 分岐電力線
20,30,40,50 熱機関
21,51 供給熱調整部
24,54 動力取出部
32 ポンプ
35 膨張機
36 第1熱交換器
37 第2熱交換器
60 抵抗器
61 半導体スイッチ
62 蓄電要素
63 充放電回路
64 蓄電状態検出部
80 熱エネルギー源
81 ボイラー
82 排熱源
90,91 冷却手段
700,800 熱動力発電システム
Claims (20)
- 熱の供給源から供給された熱から機械的動力を取り出す熱機関と、
前記機械的動力から交流電力を生成する発電機と、
前記交流電力から直流電力を生成するコンバータと、
前記コンバータと直流電力線を介して接続され、直流電力から交流電力を生成し、前記交流電力を商用系統へと出力するインバータと、
前記コンバータと前記インバータとを接続する前記直流電力線に接続され、前記コンバータから前記インバータに向かう前記直流電力の一部又は全部を吸収する電力吸収部と、
前記商用系統の電圧低下及び電圧回復を検出して、通常モード及び特定モードを含む複数のモードから1つの運転モードを選択する制御回路と、を備え、
前記制御回路は、
前記通常モードを選択した場合、前記インバータを制御して、前記インバータから出力される前記交流電力を調整し、前記直流電力線における直流電圧を目標電圧に追従させ、
前記特定モードを選択した場合、前記インバータを制御して前記インバータから出力される前記交流電力を調整し、前記直流電力線における直流電圧を目標電圧に追従させ、且つ前記電力吸収部を制御して前記直流電力の一部又は全部を前記電力吸収部に吸収させ、
前記特定モードにおいて、前記インバータから出力される前記交流電力は、ゼロよりも大きく、かつ前記通常モードにおいて前記インバータから出力される前記交流電力よりも小さい、
熱動力発電装置。 - 前記制御回路は、
前記直流電力線において検出される電気的パラメータ又は前記インバータから出力される前記交流電力を伝送する交流電力線において検出される電気的パラメータを用いて前記商用系統の電圧低下及び電圧回復を検出し、
前記電圧低下を検出したときに前記通常モードから前記特定モードに切り替え、または、前記電圧回復を検出したときに前記特定モードから前記通常モードに切り替える、
請求項1に記載の熱動力発電装置。 - 前記電気的パラメータは、電圧、直流電圧、電流、電界、又は磁界である、
請求項2に記載の熱動力発電装置。 - 前記制御回路は、
前記通常モードから前記特定モードに切り替えられてから制限時間以内に前記電圧回復を検出しなかったとき、前記インバータを制御して前記インバータから出力される前記交流電力をゼロにする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱動力発電装置。 - 前記インバータと前記商用系統との接続機構をさらに備え、
前記制御回路は、
前記通常モードから前記特定モードに切り替えてから制限時間以内に前記電圧回復を検出しなかったとき、前記接続機構を制御して前記インバータと前記商用系統との接続を解除する、
請求項1〜4のいずれか1項に記載の熱動力発電装置。 - 前記特定モードにおいて前記電力吸収部によって吸収される前記直流電力が、前記通常モードにおいて前記電力吸収部によって吸収される前記直流電力よりも大きい、
請求項1〜5のいずれか1項に記載の熱動力発電装置。 - 前記電力吸収部は、
抵抗器と、前記抵抗器に接続された半導体スイッチとを含む、
請求項1〜6のいずれか1項に記載の熱動力発電装置。 - 前記電力吸収部は、
蓄電要素と、前記蓄電要素に接続され、前記蓄電要素に流入する電流の大きさ及び前記蓄電要素から流出する電流の大きさを調整する充放電回路とを含む、
請求項1〜6のいずれか1項に記載の熱動力発電装置。 - 前記電力吸収部は、
前記蓄電要素の蓄電状態を検出する蓄電状態検出部をさらに含む、
請求項8に記載の熱動力発電装置。 - 前記充放電回路は、DC−DCコンバータを有する、
請求項8又は9に記載の熱動力発電装置。 - 前記熱動力発電装置は、
前記蓄電要素に蓄えられた前記直流電力を、前記熱動力発電装置の起動電力として用いる、
請求項8〜10のいずれか1項に記載の熱動力発電装置。 - 前記熱機関は、
作動流体を圧送するポンプと、熱源からの熱を前記作動流体に与える第1熱交換器と、膨張機と、前記作動流体から熱を放出させる第2熱交換器と、を有し、前記ポンプ、前記第1熱交換器、前記膨張機、前記第2熱交換器がこの順に接続されたランキンサイクル機関である、
請求項1〜11のいずれか1項に記載の熱動力発電装置。 - 前記制御回路は、
前記特定モードを選択した場合、1)前記インバータを制御して前記インバータから出力される前記交流電力を調整し、前記直流電力線における直流電圧を目標電圧に追従させ、2)前記電力吸収部を制御して前記直流電力の一部又は全部を前記電力吸収部に吸収させ、及び3)前記熱機関を制御して前記熱機関に供給される単位時間当たりの前記供給熱の量を調整する、
請求項1〜12のいずれか1項に記載の熱動力発電装置。 - 前記特定モードにおいて前記熱機関に供給される単位時間当たりの前記供給熱の量が、前記通常モードにおいて前記熱機関に供給される単位時間当たりの前記供給熱の量よりも小さい、
請求項13記載の熱動力発電装置。 - 前記特定モードにおいて前記電力吸収部によって吸収される前記直流電力が、前記通常モードにおいて前記電力吸収部によって吸収される前記直流電力よりも大きく、
前記特定モードにおいて前記熱機関に供給される単位時間当たりの前記供給熱の量が、ゼロよりも大きく、前記通常モードにおいて前記熱機関に供給される単位時間当たりの前記供給熱の量以下である、
請求項14に記載の熱動力発電装置。 - 前記熱機関は、
作動流体を圧送するポンプと、熱源からの熱を前記作動流体に与える第1熱交換器と、膨張機と、前記作動流体から熱を放出させる第2熱交換器と、を有し、前記ポンプ、前記第1熱交換器、前記膨張機、前記第2熱交換器がこの順に接続されたランキンサイクル機関であり、
前記制御回路は、
前記ポンプによって前記膨張機に供給される単位時間当たりの前記供給熱の量を調整する、
請求項13に記載の熱動力発電装置。 - 前記熱機関は、
作動流体を圧送するポンプと、熱源からの熱を前記作動流体に与える第1熱交換器と、膨張機と、前記作動流体から熱を放出させる第2熱交換器と、を有し、前記ポンプ、前記第1熱交換器、前記膨張機、前記第2熱交換器がこの順に接続されたランキンサイクル機関であり、
前記ランキンサイクル機関は、前記膨張機をバイパスするバイパス路と、前記バイパス路に設けられたバイパス弁と、をさらに有し、
前記制御回路は、前記ポンプ及び前記バイパス弁によって前記膨張機に供給される単位時間当たりの前記供給熱の量を調整する、
請求項13に記載の熱動力発電装置。 - 前記熱機関は膨張機を含む、
請求項1〜17のいずれか1項に記載の熱動力発電装置。 - 請求項1〜18のいずれか1項に記載の熱動力発電装置と、
ボイラーと、
を備え、
前記ボイラーは前記熱の供給源であり、前記コンバータと前記インバータとを接続する前記直流電力線から前記直流電力を取得する、
熱動力発電システム。 - 請求項1〜18のいずれか1項に記載の熱動力発電装置と、
熱源と、
を備え、
前記熱源からの排熱が、前記供給源から供給された熱である、
熱動力発電システム。
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