JP3894867B2 - 希薄燃焼型ガスエンジン発電装置の電力供給システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非常用負荷に希薄燃焼型ガスエンジン発電装置の発電電力を供給する希薄燃焼型ガスエンジン発電装置の電力供給システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のシステムは、例えば、電力系統と連系している場合での停電時において、発電装置による発電電力を、非常用負荷などの所定の負荷に供給するものであり、従来、特許文献１に記載されているものがあった。
この公報記載例によれば、電力系統と非常用発電機との間に遮断器を設け、電力系統が停電したときに、重要負荷を電力系統から切り離し、非常用発電機を運転して重要負荷に電力を供給できるように構成されている。
また、停電から非常用発電機の運転開始までの間、無停電電源装置（安定化電源装置）から重要負荷に電力を供給できるように構成されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−６１２３８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発電装置を希薄燃焼型ガスエンジンで駆動する場合、希薄燃焼型ガスエンジンにおいては、その発電効率を高くするために、定格運転時におけるスロットルの開度が全開に近い状態に設計され、スロットルの制御精度が悪くなる。
【０００５】
このような結果、発電電力を非常用負荷に供給する場合、図２の（ｂ）の電力量の経時的変化のグラフに示すように、先ず、例えば、スプリンクラーなどのひとつめの負荷に対して電力を供給するとき、発電装置の運転が開始されて発電電力Ｇが供給されるが、負荷で要求される要求電力Ｈに満たない。その不足分ＨＳを無停電電源装置（安定化電源装置）からの電力で賄うことになる。
【０００６】
そして、発電装置の発電電力Ｇが要求電力Ｈに達した後、ＰＩＤ制御などにより制御が収束して発電出力が安定する、いわゆる整定するまでの時間を待ち、その時間経過後に、次の、例えば、非常灯などの負荷に対して同様に電力を供給するようにしている。
【０００７】
このように、ひとつの負荷に電力を供給するたびに、発電出力が安定するまでの時間を待つ必要があり、非常用負荷に電力を供給するのに時間がかかってしまう欠点があった。スプリンクラーや排煙ファンなどのように緊急を要する非常用負荷では、安全性に欠ける欠点があった。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、請求項１に係る発明は、発電出力が安定するまでの時間を待たずに迅速に非常用負荷に電力を供給できるようにすることを目的とし、請求項２に係る発明は、非常用負荷への電力の供給停止をも迅速に行えるようにすることを目的とし、請求項３に係る発明は、迅速かつ安定した状態で非常用負荷に電力を供給できるようにすることを目的とし、請求項４に係る発明は、一層迅速に非常用負荷に電力を供給できるようにすることを目的とし、請求項５に係る発明は、安定化電源装置の容量を小さくできるようにすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明の希薄燃焼型ガスエンジン発電装置の電力供給システムは、上述のような目的を達成するために、
希薄燃焼型ガスエンジンと、
前記希薄燃焼型ガスエンジンによって駆動する発電装置と、
前記発電装置からの電力を供給する入力装置と出力装置と両装置間に設けられるエネルギー貯蔵手段とから成る安定化電源装置と、
前記発電装置および前記安定化電源装置からの電力を供給する複数の非常用負荷と、
階段状に投入される複数の前記非常用負荷への電力供給に際し、前記発電装置からの発電出力の不足分をエネルギー貯蔵手段からの電力供給によって賄うとともに余剰分を前記エネルギー貯蔵手段に蓄電させるように前記発電装置および前記希薄燃焼型ガスエンジンの特性に応じて予め平滑化した電力投入曲線に基づいて前記発電装置からの電力供給量を制御する電力供給制御手段とを備えて構成する。
【００１０】
非常用負荷としては、例えば、スプリンクラーとか、非常灯とか、排煙ファンなどが挙げられる。
また、安定化電源装置を構成するエネルギー貯蔵手段としては、キャパシターや蓄電池やフライホイールなどが適用できる。
【００１１】
（作用・効果）
請求項１に係る発明の希薄燃焼型ガスエンジン発電装置の電力供給システムの構成によれば、階段状に投入される複数の非常用負荷への電力供給に際し、予め平滑化した電力投入曲線に基づいて発電装置からの電力供給量を制御し、図２の（ａ）の電力量の経時的変化のグラフに示すように、非常用負荷への電力供給開始時における、希薄燃焼型ガスエンジンの立ち上がりの不足分の電力ＨＳ（＝負荷で要求される要求電力Ｈ−発電電力Ｇ）を、エネルギー貯蔵手段に蓄えた電力により賄い、余剰分の電力ＨＲ（＝発電電力Ｇ−負荷で要求される要求電力Ｈ）を、エネルギー貯蔵手段に蓄えることにより、非常用負荷で要求される電力の負荷が階段状であるのに対して、発電装置からの発電出力を滑らかな電力投入曲線Ｇに基づいたものにできる。
したがって、非常用負荷で要求される電力に合わせるために、発電装置からの発電出力が安定するまでの時間を待たずに済み、迅速に非常用負荷に電力を供給できる。スプリンクラーや非常灯や排煙ファンといった緊急を要する非常用負荷では、安全性を向上できて極めて有用である。
【００１２】
また、請求項２に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項１に記載の希薄燃焼型ガスエンジン発電装置の電力供給システムにおいて、
電力供給制御手段が、階段状に遮断される複数の非常用負荷への電力供給停止に際し、前記発電装置からの発電出力の余剰分を前記エネルギー貯蔵手段に蓄電させるとともに不足分を前記エネルギー貯蔵手段から供給するように前記発電装置および前記希薄燃焼型ガスエンジンの特性に応じて予め平滑化した電力投入曲線に基づいて前記発電装置からの電力供給量を制御するように構成する。
【００１３】
（作用・効果）
請求項２に係る発明の希薄燃焼型ガスエンジン発電装置の電力供給システムの構成によれば、階段状に遮断される複数の非常用負荷への電力供給停止に際しても、予め平滑化した電力投入曲線に基づいて発電装置からの電力供給量を制御し、図２の（ａ）の電力量の経時的変化のグラフに示すように、非常用負荷への電力供給停止開始時における、希薄燃焼型ガスエンジンの運転に伴う余剰分の電力ＨＲ（＝発電電力Ｇ−負荷で要求される要求電力Ｈ）を、エネルギー貯蔵手段に蓄え、不足分の電力ＨＳ（＝負荷で要求される要求電力Ｈ−発電電力Ｇ）を、エネルギー貯蔵手段に蓄えた電力により賄うことにより、非常用負荷の遮断に伴う要求電力の変化が階段状であるのに対して、発電装置からの発電出力を滑らかな電力投入曲線Ｇに基づいたものにできる。
したがって、要求電力に合わせるために、発電装置からの発電出力が安定するまでの時間を待たずに済み、非常用負荷への電力の供給を迅速に停止できる。
【００１４】
また、請求項３に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項１または２に記載の希薄燃焼型ガスエンジン発電装置の電力供給システムにおいて、
燃料供給量を調整するスロットルと、
電力投入曲線に対応するエンジン回転数の経時的変化を算出する回転数算出手段と、
エンジン回転数を測定する回転数測定手段と、
前記回転数測定手段で測定されるエンジン回転数が回転数算出手段で算出されたエンジン回転数になるように前記スロットルの開度を制御するエンジン制御手段とを備えて構成する。
【００１５】
（作用・効果）
請求項３に係る発明の希薄燃焼型ガスエンジン発電装置の電力供給システムの構成によれば、電力投入曲線に対応するエンジン回転数の経時的変化に合うようにスロットルの開度をフィードバック制御し、発電装置からの実際の発電出力を電力投入曲線に精度よく対応させることができる。
したがって、迅速かつ安定した状態で非常用負荷に電力を供給できる。
【００１６】
また、請求項４に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項３に記載の希薄燃焼型ガスエンジン発電装置の電力供給システムにおいて、
電力投入曲線に対応するスロットルの開度の経時的変化を算出するスロットル開度算出手段と、
前記スロットル開度算出手段で算出された開度になるように前記スロットルの開度を調整するスロットル制御手段とを備え、
前記スロットル制御手段で調整した開度をエンジン制御手段で微調整するように構成する。
【００１７】
（作用・効果）
請求項４に係る発明の希薄燃焼型ガスエンジン発電装置の電力供給システムの構成によれば、スロットル制御手段により、電力投入曲線に対応するスロットルの開度の経時的変化に合うようにスロットルの開度をフィードフォワード制御し、その制御された開度に対して、エンジン制御手段により、電力投入曲線に対応するエンジン回転数の経時的変化に合うようにスロットルの開度をフィードバック制御して微調整し、発電装置からの実際の発電出力を電力投入曲線に精度よく対応させることができる。
したがって、電力投入曲線に基づいて発電装置からの電力供給量を制御し、しかも、スロットル制御手段によるフィードフォワード制御により、スロットルの開度を調整し、そのスロットルの開度を、エンジン制御手段によるフィードバック制御により微調整するから、一層迅速に非常用負荷に電力を供給できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明に係る希薄燃焼型ガスエンジン発電装置の電力供給システムの第１実施例を示す概略構成図であり、希薄燃焼型ガスエンジン１（図面上はガスエンジン１と略記する）に発電装置としての交流発電機２が連動連結され、希薄燃焼型ガスエンジン１によって交流発電機２を駆動して発電するように構成されている。
交流発電機２に、交流電力を直流電力に変換するＡ／Ｄコンバータを備える入力装置３の交流側が第１の電力出力線４を介して接続されている。
【００２２】
入力装置３に、直流電力を交流電力に変換するＤ／Ａコンバータを備える出力装置５が電力線６を介して接続され、その電力線６に、エネルギー貯蔵手段７が分岐電力線８を介して接続されている。エネルギー貯蔵手段７としては、キャパシターや蓄電池やフライホイールなどが適用でき、フライホイールを用いる場合には、分岐電力線８にＡ／Ｄコンバータを介装し、交流電力を直流電力に変換する。
上記入力装置３と出力装置５とエネルギー貯蔵手段７とによって安定化電源装置９が構成されている。
【００２３】
出力装置５には、第２の電力出力線１０と、第１、第２および第３の切替スイッチ１１，１２，１３を介して、スプリンクラー１４、非常灯１５、排煙ファン１６などの非常用負荷で構成される非常用負荷群１７が接続されている。
【００２４】
第２の電力出力線１０には、電源線１８を介して商用電源１９が接続されている。電源線１８に照明や各種機器などの一般負荷２０がスイッチ２１を介装した分岐線２２を介して接続され、電源線１８の分岐線２２との接続箇所と第２の電力出力線１０との接続箇所との間に遮断器２３が設けられている。
【００２５】
遮断器２３に、商用電源１９の停電を検知して停電検知信号を出力するとともに停電検知後の停電解除を検知して停電解除信号を出力する停電検知センサ２４が設けられ、この停電検知センサ２４がコントローラ２５に接続されている。コントローラ２５に、第１、第２および第３の切替スイッチ１１，１２，１３、入力装置３および出力装置５が接続されている。
【００２６】
コントローラ２５では、停電検知センサ２４からの停電検知信号に応答して、第１、第２および第３の切替スイッチ１１，１２，１３に、例えば、５秒ごとなど所定時間ごとに順に閉じ信号を出力して非常用負荷群１７に電力を供給し、また、停電検知センサ２４からの停電解除信号に応答して、例えば、５秒ごとなど所定時間ごとに順に開き信号を出力して非常用負荷群１７への電力供給を停止するようになっている。
【００２７】
また、コントローラ２５において、停電検知センサ２４からの停電検知信号に応答して入力装置３および出力装置５に制御信号を出力し、図２の（ａ）に示すように、階段状に投入される非常用負荷 H群１７への電力供給に際し、交流発電機２からの発電出力の変動が安定する時間をエネルギー貯蔵手段７からの蓄電分ＨＳの電力供給によって消すとともに余剰分ＨＲをエネルギー貯蔵手段７に蓄電させるように、予め平滑化した電力投入曲線Ｇに基づいて交流発電機２からの電力供給量を制御するようになっている。
【００２８】
更に、停電検知センサ２４からの停電解除信号に応答して入力装置３および出力装置５に制御信号を出力し、階段状に遮断される非常用負荷 H群１７への電力供給停止に際し、交流発電機２からの発電出力の変動が安定する時間をエネルギー貯蔵手段７への余剰分ＨＲの蓄電によって消すとともに不足分をエネルギー貯蔵手段７から蓄電分ＨＳを供給するように、予め平滑化した電力投入曲線Ｇに基づいて交流発電機２からの電力供給量を制御するようになっている。
【００２９】
上記電力投入曲線Ｇは、交流発電機２および希薄燃焼型ガスエンジン１の特性に応じて特定されるものである。交流発電機２からの発電出力が安定する時間がそれぞれ異なるからである。
【００３０】
上記構成により、非常用負荷群１７で要求される電力に合わせるために、交流発電機２からの発電出力が安定するまでの時間を待たずに済み、スプリンクラー１４、非常灯１５、排煙ファン１６などのように緊急を要する非常用負荷群１７に迅速に電力を供給できる。
【００３１】
図３は、本発明に係る希薄燃焼型ガスエンジン発電装置の電力供給システムの第２実施例の要部を示す概略構成図であり、第１実施例と異なるところは、次の通りである。
【００３２】
すなわち、交流発電機２に連動連結する希薄燃焼型ガスエンジン１の回転軸３１に、エンジン回転数を測定する回転数測定手段としての回転数センサ３２が設けられ、その回転数センサ３２がコントローラ２５に接続され、コントローラ２５に、希薄燃焼型ガスエンジン１の燃料供給量を調整するスロットル３３が接続されている。
【００３３】
コントローラ２５には、図４の制御系のブロック図に示すように、回転数算出手段３４と比較手段３５と調整開度算出手段３６とから成るエンジン制御手段３７が備えられている。
回転数算出手段３４では、停電検知センサ２４からの停電検知信号および停電解除信号に応答して、前述した電力投入曲線Ｇに基づき、電力投入曲線Ｇに対応するエンジン回転数の経時的変化を予め算出し、その算出したエンジン回転数の経時的変化を制御目標値として比較手段３５に出力するようになっている。
【００３４】
比較手段３５では、回転数算出手段３４からのエンジン回転数の経時的変化と、回転数センサ３２で測定されるエンジン回転数とを比較して比較出力を出すようになっている。
調整開度算出手段３６では、比較手段３５からの比較出力に応答し、その差分に基づいて、スロットル３３の調整すべき開度を求め、その調整開度に応じた調整信号をスロットル３３に出力し、回転数センサ３２で測定されるエンジン回転数が回転数算出手段３４で算出されたエンジン回転数になるようにスロットル３３の開度を制御するようになっている。他の構成は第１実施例と同じであり、同一図番を付すことにより、その説明は省略する。
【００３５】
この第２実施例によれば、電力投入曲線Ｇに対応するエンジン回転数の経時的変化に合うようにスロットル３３の開度をフィードバック制御し、交流発電機２からの実際の発電出力を電力投入曲線Ｇに精度よく対応させ、迅速かつ安定した状態で非常用負荷群１７に電力を供給できる。
【００３６】
図５は、本発明に係る希薄燃焼型ガスエンジン発電装置の電力供給システムの第３実施例の制御系を示すブロック図であり、第２実施例と異なるところは、次の通りである。
【００３７】
すなわち、コントローラ５において、スロットル開度算出手段４１を有するスロットル制御手段４２が備えられている。
スロットル開度算出手段４１では、停電検知センサ２４からの停電検知信号および停電解除信号に応答して、前述した電力投入曲線Ｇに基づき、電力投入曲線Ｇに対応するスロットル３３の開度を予め算出してスロットル３３に開度信号を出力し、スロットル開度算出手段４１で算出された開度になるようにスロットル３３の開度を調整するようになっている。他の構成は第２実施例と同じであり、同一図番を付すことにより、その説明は省略する。
【００３８】
この第３実施例によれば、スロットル制御手段４２により、電力投入曲線Ｇに対応するスロットル３３の開度の経時的変化に合うようにスロットル３３の開度をフィードフォワード制御し、その制御された開度に対して、エンジン制御手段３７により、電力投入曲線Ｇに対応するエンジン回転数の経時的変化に合うようにスロットル３３の開度をフィードバック制御して微調整し、交流発電機２からの実際の発電出力を電力投入曲線Ｇに精度よく対応させ、一層迅速に非常用負荷群１７に電力を供給できる。
【００３９】
図６は、本発明に係る希薄燃焼型ガスエンジン発電装置の電力供給システムの第４実施例を示す一部省略概略構成図であり、希薄燃焼型ガスエンジン１に連動連結された交流発電機２の第１の電力出力線４に、安定化電源装置９と並列に、スプリンクラー１４、非常灯１５および排煙ファン１６それぞれが、第４、第５および第６の切替スイッチ５１，５２，５３を介して接続されている。図面では、商用電源１９、電源線１８などを省略している。
【００４０】
図示しないが、第４、第５および第６の切替スイッチ５１，５２，５３にコントローラ２５（図１参照）が接続され、そのコントローラ２５において、スプリンクラー１４、非常灯１５および排煙ファン１６それぞれに電力供給を順次的に行い、ひとつの負荷への電力供給の完了後に、その電力供給完了後の負荷と交流発電機２とを直結し、それ以降に別の負荷に電力を供給するように構成されている。
【００４１】
この第４実施例の構成によれば、例えば、第１の切替スイッチ１１を閉じてスプリンクラー１４に安定化電源装置９を介して電力を供給した後、その電力供給の完了後に、第４の切替スイッチ５１を閉じるとともに第１の切替スイッチ１１を開いてスプリンクラー１４と交流発電機２とを直結し、スプリンクラー１４に安定化電源装置９からの電力が消費されないようにし、安定化電源装置９の容量として、交流発電機２の容量よりも小さなものにできるようになっている。
非常灯１５および排煙ファン１６についても同様にして電力を供給する。
この第４実施例による場合、エネルギー貯蔵手段７による蓄電量としては、非常用負荷群１７に対して１５秒程度供給できるものであれば良いが、本発明としては６０秒以下、好ましくは４０秒以下で供給できるものであれば良い。
【００４２】
本発明としては、スロットル３３の開度調整による発電出力の制御が行いづらい希薄予混合型の希薄燃焼型ガスエンジンに適用する場合に、より好適に効果を発揮できる。また、混合気のターボバイパスの開度制御によって発電出力の制御を行うタイプの希薄燃焼型ガスエンジンに適用する場合にも、スロットル３３の開度調整によるよりも発電出力の制御が行いづらく、より好適に効果を発揮できる。
【００４３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の希薄燃焼型ガスエンジン発電装置の電力供給システムの構成によれば、階段状に投入される複数の非常用負荷への電力供給に際し、予め平滑化した電力投入曲線に基づいて発電装置からの電力供給量を制御し、非常用負荷への電力供給開始時における、希薄燃焼型ガスエンジンの立ち上がりの不足分の電力をエネルギー貯蔵手段に蓄えた電力により賄い、余剰分の電力をエネルギー貯蔵手段に蓄えることにより、非常用負荷で要求される電力の負荷が階段状であるのに対して、発電装置からの発電出力を滑らかな電力投入曲線に基づいたものにできるから、非常用負荷で要求される電力に合わせるために、発電装置からの発電出力が安定するまでの時間を待たずに済み、迅速に非常用負荷に電力を供給できる。スプリンクラーや非常灯や排煙ファンといった緊急を要する非常用負荷では、安全性を向上できて極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る希薄燃焼型ガスエンジン発電装置の電力供給システムの第１実施例を示す概略構成図である。
【図２】（ａ）は本発明の電力量の経時的変化を示すグラフであり、（ｂ）従来の電力量の経時的変化を示すグラフである。
【図３】本発明に係る希薄燃焼型ガスエンジン発電装置の電力供給システムの第２実施例の要部を示す概略構成図である。
【図４】制御系を示すブロック図である。
【図５】本発明に係る希薄燃焼型ガスエンジン発電装置の電力供給システムの第３実施例の制御系を示すブロック図である。
【図６】本発明に係る希薄燃焼型ガスエンジン発電装置の電力供給システムの第４実施例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１…希薄燃焼型ガスエンジン
２…交流発電機（発電装置）
３…入力装置
５…出力装置
７…エネルギー貯蔵手段
９…安定化電源装置
１４…スプリンクラー（非常用負荷）
１５…非常灯（非常用負荷）
１６…排煙ファン（非常用負荷）
３２…回転数センサ（回転数測定手段）
３３…スロットル
３４…回転数算出手段
３７…エンジン制御手段
４１…スロットル開度算出手段
４２…スロットル制御手段
Ｇ…電力投入曲線

Claims (4)

1. 希薄燃焼型ガスエンジンと、
   前記希薄燃焼型ガスエンジンによって駆動する発電装置と、
   前記発電装置からの電力を供給する入力装置と出力装置と両装置間に設けられるエネルギー貯蔵手段とから成る安定化電源装置と、
   前記発電装置および前記安定化電源装置からの電力を供給する複数の非常用負荷と、
   階段状に投入される複数の前記非常用負荷への電力供給に際し、前記発電装置からの発電出力の不足分をエネルギー貯蔵手段からの電力供給によって賄うとともに余剰分を前記エネルギー貯蔵手段に蓄電させるように前記発電装置および前記希薄燃焼型ガスエンジンの特性に応じて予め平滑化した電力投入曲線に基づいて前記発電装置からの電力供給量を制御する電力供給制御手段と、
   を備えたことを特徴とする希薄燃焼型ガスエンジン発電装置の電力供給システム。
2. 請求項１に記載の希薄燃焼型ガスエンジン発電装置の電力供給システムにおいて、
   電力供給制御手段が、階段状に遮断される複数の非常用負荷への電力供給停止に際し、前記発電装置からの発電出力の余剰分を前記エネルギー貯蔵手段に蓄電させるとともに不足分を前記エネルギー貯蔵手段から供給するように前記発電装置および前記希薄燃焼型ガスエンジンの特性に応じて予め平滑化した電力投入曲線に基づいて前記発電装置からの電力供給量を制御するように構成したものである希薄燃焼型ガスエンジン発電装置の電力供給システム。
3. 請求項１または２に記載の希薄燃焼型ガスエンジン発電装置の電力供給システムにおいて、
   燃料供給量を調整するスロットルと、
   電力投入曲線に対応するエンジン回転数の経時的変化を算出する回転数算出手段と、
   エンジン回転数を測定する回転数測定手段と、
   前記回転数測定手段で測定されるエンジン回転数が回転数算出手段で算出されたエンジン回転数になるように前記スロットルの開度を制御するエンジン制御手段とを備える希薄燃焼型ガスエンジン発電装置の電力供給システム。
4. 請求項３に記載の希薄燃焼型ガスエンジン発電装置の電力供給システムにおいて、
   電力投入曲線に対応するスロットルの開度の経時的変化を算出するスロットル開度算出手段と、
   前記スロットル開度算出手段で算出された開度になるように前記スロットルの開度を調整するスロットル制御手段とを備え、
   前記スロットル制御手段で調整した開度をエンジン制御手段で微調整するように構成した希薄燃焼型ガスエンジン発電装置の電力供給システム。

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