特開 2024-95316 系統連系装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024095316

(43)【公開日】2024-07-10

(54)【発明の名称】系統連系装置

(51)【国際特許分類】

   H02H 9/02 20060101AFI20240703BHJP

   H02J 3/04 20060101ALI20240703BHJP

【ＦＩ】

H02H9/02 D

H02J3/04

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022212516

(22)【出願日】2022-12-28

(71)【出願人】

【識別番号】000003942

【氏名又は名称】日新電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】福田 有貴

(72)【発明者】

【氏名】河崎 吉則

【テーマコード（参考）】

5G013

5G066

【Ｆターム（参考）】

5G013AA01

5G013BA01

5G013CA05

5G066AD01

(57)【要約】

【課題】安価でコンパクトな系統連系装置を実現する。
【解決手段】商用電源系統（２０）と重要負荷系統（３０）との間に介在され、両系統を相互に連系させる系統連系装置（１０ａ）において、両系統の各相連系端子間に接続される２つの交流端子を接続する接続部（Ｃ１、Ｃ２）と、接続部のうち、いずれか一方には、一対の第１ダイオード（１２、１４）が接続され、いずれか他方には、一対の第２ダイオード（１６、１７）が接続されて構成される単相整流回路と、第１ダイオードと第２ダイオードとの各接続点に接続される直流リアクトル（１５）と、を備え、接続部、単相整流回路および直流リアクトルに流れる電流の経路において、直列に少なくとも１つの機械式スイッチ（１１、１３）をさらに備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

２つの電力系統間を接続し、両系統を相互に連系させる系統連系装置において、
両系統の各相連系端子にそれぞれ接続される２つの接続部と、
前記２つの接続部のうち、一方には、一対の第１ダイオードが接続され、他方には、一対の第２ダイオードが接続されて構成される単相整流回路と、
前記第１ダイオードと前記第２ダイオードとの各接続点である２つの直流端子間に接続される直流リアクトルと、を備え、
前記接続部、前記単相整流回路および前記直流リアクトルに流れる電流の経路において、直列に少なくとも１つの機械式スイッチをさらに備える、系統連系装置。

【請求項2】

前記少なくとも１つの機械式スイッチは、前記単相整流回路における前記２つの電力系統の一方側に向かって電流が流れる経路に配置された第１機械式スイッチと、他方側に向かって電流が流れる経路に配置された第２機械式スイッチとを含む、請求項１に記載の系統連系装置。

【請求項3】

前記少なくとも１つの機械式スイッチは、前記直流リアクトルに対して直列に接続されている、請求項１に記載の系統連系装置。

【請求項4】

前記少なくとも１つの機械式スイッチは、前記単相整流回路より一方の前記電力系統側において、前記接続部に対して直列に接続されている、請求項１に記載の系統連系装置。

【請求項5】

前記機械式スイッチは、前記電力系統において開動作開始から遅くとも３／４サイクルで遮断する、請求項１から４のいずれか１項に記載の系統連系装置。

【請求項6】

制御部をさらに備え、
前記制御部は、両系統のいずれか一方の電圧が低下した場合に、前記機械式スイッチを遮断する、請求項１から４のいずれか１項に記載の系統連系装置。

【請求項7】

前記機械式スイッチに対し、並列に半導体スイッチをさらに備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の系統連系装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は系統連系装置に関する。

【背景技術】

【0002】

工場・病院などでは、発電機を有しており、商用系統電源が瞬時電圧低下または瞬時停電が発生した場合に、電圧変動があってはいけない重要負荷のための電源として、発電機の電力を一時的に割り当てることがある。このように電源系統が変わっても動作させるために、商用系統電源と発電機の電源とは系統連系している。

【0003】

商用電源系統において、瞬時電圧低下または瞬時停電が発生すると、系統連系しているために、発電機側の系統（重要負荷系統）から、商用電源系統に電力が供給されることになり、発電機が過負荷になることがある。

【0004】

そのため、系統連系装置には、限流するための保護装置を設けることが一般的である。図７は、従来の電源系統１００の一例を示す回路図である。図７に示すように、商用電源である商用電源系統２０は、保護器２２で保護された商用電源２１に対し、トランス２３で変圧され、再度保護器２４で保護されている。また、電源を遮断できない重要な負荷が接続される系統である重要負荷系統３０に接続された発電機３１は、保護器３２で保護されている。

【0005】

商用電源系統２０と重要負荷系統３０とは、系統連系装置１０で相互に連系している（接続されている）。系統連系装置１０は、遮断器４１によって系統連系を遮断することができるようになっている。系統連系装置１０としては、交流をサイリスタ１８および１９とダイオード１６および１７とを用いて整流し、その電流の経路において直流リアクトル１５を配置した回路が知られている。このような回路では、商用系統電源２０において、瞬時電圧低下または瞬時停電が発生した場合でも、直流リアクトル１５による、電流保存作用によって、系統連系装置１０を流れる電流を制限する、すなわち限流することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平９－２８５０１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、上述のような従来技術は、サイリスタ１８および１９が半導体素子であるために、通電損失が発生する。また、サイリスタ１８および１９はサイズが大きく、コストが高い部品である。そのため、導入ハードルが高い欠点がある。

【0008】

本発明の一態様は、安価でコンパクトな系統連系装置を実現することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る系統連系装置は、２つの電力系統間に介在され、両系統を相互に連系させる系統連系装置において、両系統の各相連系端子間に接続される２つの交流端子を接続する接続部と、前記接続部のうち、いずれか一方には、一対の第１ダイオードが接続され、いずれか他方には、一対の第２ダイオードが接続されて構成される単相整流回路と、前記第１ダイオードと前記第２ダイオードとの各接続点である２つの直流端子間に接続される直流リアクトルと、を備え、前記接続部、前記単相整流回路および前記直流リアクトルに流れる電流の経路において、直列に少なくとも１つの機械式スイッチをさらに備える。

【発明の効果】

【0010】

本発明の一態様によれば、通電損失が少ない系統連系装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施形態に係る電源系統の回路図である。

【図2】実施形態に係る電源系統における各部の状態を示すグラフである。

【図3】変形例の一例に係る電源系統の回路図である。

【図4】変形例の別の例に係る電源系統の回路図である。

【図5】変形例のさらに別の例に係る電源系統の回路図である。

【図6】半導体スイッチを機械式スイッチに並列に接続した場合の電源系統の回路図である。

【図7】従来の電源系統の一例を示す回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

〔実施形態〕
以下、本発明の一側面に係る実施の形態（以下、「本実施形態」とも表記する）を、図面に基づいて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

【0013】

（構成）
図１は、実施形態１に係る電源系統１ａの回路図である。電源系統１ａでは、電源系統１００と異なり、系統連系装置１０の代わりに、系統連系装置１０ａを備える。系統連系装置１０ａは、商用電源系統２０と重要負荷系統３０との間を接続し、両系統を相互に連系させる。系統連系装置１０ａは、両系統の各相連系端子４２および４３にそれぞれ接続される２つの接続部Ｃ１およびＣ２を備える。接続部Ｃ１は、遮断器４１に接続している。接続部Ｃ２は、重要負荷系統３０に接続している。相連系端子４２は、商用電源系統２０と系統連系装置１０ａとの接続点であり、相連系端子４３は、重要負荷系統３０と系統連系装置１０ａとの接続点である。

【0014】

接続部Ｃ１には、機械式スイッチ１１および第１ダイオード１２による直列回路と、機械式スイッチ１３および第１ダイオード１４による直列回路とが接続される。第１ダイオード１２のアノードが、機械式スイッチ１１を介して、接続部Ｃ１に接続される。第１ダイオード１４のカソードが、機械式スイッチ１３を介して、接続部Ｃ１に接続される。

【0015】

接続部Ｃ２には、第２ダイオード１６、および第２ダイオード１７が接続される。第２ダイオード１６のアノードが、接続部Ｃ２に接続される。第２ダイオード１７のカソードが接続部Ｃ２に接続される。

【0016】

第１ダイオード１２および第２ダイオード１６は、互いに極性が逆となるように接続される（直流端子Ｃ３に対してそれぞれのカソードが接続される）。第１ダイオード１４および第２ダイオード１７は、互いに極性が逆となるように接続される（直流端子Ｃ４に対してそれぞれのアノードが接続される）。

【0017】

接続部Ｃ１およびＣ２は入れ替わってもよい。すなわち、系統連系装置１０ａは、接続部Ｃ１およびＣ２のうち、一方には、一対の第１ダイオード１２および１４が接続され、他方には、一対の第２ダイオード１６および１７が接続されて構成される単相整流回路（ダイオードブリッジ回路）を有する。

【0018】

また、系統連系装置１０ａは、第１ダイオード１２および１４と第２ダイオード１６および１７との各接続点である２つの直流端子間に、直流リアクトル１５を備える。

【0019】

さらに、系統連系装置１０ａは、制御部（図示省略）を備えてもよい。制御部は、系統連系装置１０ａの各部を統括的に制御する。すなわち、制御部は、商用電源系統２０の電圧、または重要負荷系統３０の電圧が低下した場合に、機械式スイッチ１１および１３を遮断する。なお、正常時には、機械式スイッチ１１および１３は閉の状態である。

【0020】

（機械式スイッチ）
機械式スイッチ１１および１３としては、例えば、ＶＣＢ（Vacuum Circuit Breaker：真空遮断器）およびＧＩＳ（Gas Insulated Switchgear：ガス絶縁開閉装置）などが挙げられる。

【0021】

機械式スイッチ１１および１３は、高速に電流を遮断可能なスイッチであり、遮断信号でもって開動作を開始してから、商用電源の遅くとも３／４サイクルでもって遮断することができる。これは、ＶＣＢまたはＧＩＳなどの方式を採用することにより、アークの消弧が高速な点に加えて、構造上、速く接点を開閉できるようになっているためである。
（整流作用）
電源系統１ａにおいて、商用電源系統２０から重要負荷系統３０に向かって電流が流れる場合、単相整流回路には、接続部Ｃ１、機械式スイッチ１１、第１ダイオード１２、直流端子Ｃ３、直流リアクトル１５、直流端子Ｃ４、第２ダイオード１７、接続部Ｃ２の順に電流が流れる。また、重要負荷系統３０から商用電源系統２０に向かって電流が流れる場合、単相整流回路には、接続部Ｃ２、第２ダイオード１６、直流端子Ｃ３、直流リアクトル１５、直流端子Ｃ４、第１ダイオード１４、機械式スイッチ１３、接続部Ｃ１の順に電流が流れる。

【0022】

そのため、直流リアクトル１５には、図１において第１ダイオード１２と第２ダイオード１６との接続点（直流端子Ｃ３）から第１ダイオード１４と第２ダイオード１７との接続点（直流端子Ｃ４）に向かって電流が流れることになる。この電流の流れる向きは一定である。

【0023】

（限流作用）
図２は、実施形態１に係る電源系統１ａにおける各部の状態を示すグラフである。図２には、商用電源系統２０の電圧と、系統連系装置１０ａを流れる電流と、重要負荷系統３０の電圧と、発電機３１のトルクとの時間変化が示されている。なお、実線は、系統連系装置１０ａを用いた場合を示し、破線は仮に系統連系装置１０ａを用いずに商用電源系統２０と重要負荷系統３０とを系統連系した場合を示す。

【0024】

図２において、期間ΔＴにおいて、商用電源系統２０において瞬時電圧低下が発生している。そのため、商用電源系統２０の電圧は期間ΔＴの間低下している。この時、自然と、重要負荷系統３０から商用電源系統２０に向かって電流が流れだし、商用電源系統２０の電圧低下を抑えようと働く。そのため、重要負荷系統３０から商用電源系統２０に向かっての電流（連系電流）は、系統連系装置１０ａがない場合、破線のように急激に増加する。ここで、系統連系装置１０ａにおける直流リアクトル１５の電流保存作用によって、連系電流の変化は、破線から実線のようになる。すなわち、系統連系装置１０ａは、連系電流を限流することができる。

【0025】

また、重要負荷系統３０から流れ出す電流を直流リアクトル１５が抑制するために、重要負荷系統３０の電圧変動を破線から実線へと抑えることができる。さらに、発電機３１のトルクも系統連系装置１０ａがない場合、破線のように急上昇していたはずが、実線のように若干の上昇までで抑えることができる。そのため、発電機３１に対して過負荷を与えることを防ぐことができる。

【0026】

さらに、系統連系装置１０ａは、制御部（図示省略）を備え、連系電流、商用電源系統２０の電圧および重要負荷系統３０の電圧でもって、瞬時電圧低下または瞬時停電を判断する。制御部は、瞬時電圧低下または瞬時停電を検出した場合に、機械式スイッチ１１および１３を遮断する。これは、重要負荷系統３０に対し、商用電源系統２０が影響を及ぼすことを防ぐことを目的とする。そのため、瞬時電圧低下または瞬時停電が発生すると、連系電流は０となる。

【0027】

（電力損失）
特許文献１では、系統連系装置１０のスイッチングのために、サイリスタ１８および１９を用いたが、実施形態１では、系統連系装置１０ａのスイッチングのために、機械式スイッチ１１および１３を用いた。そのため、スイッチング素子が半導体素子から機械式スイッチに変わる。さらに、サイリスタの整流作用に代えてダイオードによる整流作用を用いる。そのため、ダイオードはサイリスタよりは電力損失が小さいため、電力損失を低減することができる。
（コスト・サイズ）
また、大電流を流せるサイリスタは、同様の定格を有する機械式スイッチおよびダイオードよりも高価である。さらに、同様の定格を有するサイリスタと機械式スイッチおよびダイオードとのサイズを比較すると、機械式スイッチはサイリスタの１／３程の大きさで済む。すなわち、実施形態１に係る系統連系装置１０ａの方は、特許文献１に係る系統連系装置１０に対し、安価でコンパクトである。

【0028】

〔変形例〕
（機械式スイッチの配置）
図３は、変形例の一例に係る電源系統１ｂの回路図である。図３では、系統連系装置１０ｂを構成する機械式スイッチ１１および１３の位置が、系統連系装置１０ａと異なる位置に位置する。

【0029】

機械式スイッチ１１および１３は、単相整流回路における直流リアクトル１５よりも上流側に位置する。すなわち、機械式スイッチ１１および１３は、単相整流回路を構成する第１ダイオード１２および１４ならびに第２ダイオード１６および１７によるブリッジ回路の上半分に位置する。この場合でも、系統連系装置１０ｂは、系統連系装置１０ａと同様の効果を得ることができる。また、機械式スイッチ１１および１３の位置は、単相整流回路における直流リアクトル１５に対して下流側（図３において、単相整流回路のブリッジにおける下半分）に位置してもよい。

【0030】

実施形態および図３の変形例では、機械式スイッチ１１は単相整流回路における重要負荷系統３０に向かって電流が流れる経路に配置されていればよく、位置の制限はない。同様に、機械式スイッチ１３は商用電源系統２０に向かって電流が流れる経路に配置されていればよく、位置の制限はない。

【0031】

図４は、変形例の別の例に係る電源系統１ｃの回路図である。図４では、系統連系装置１０ｃには機械式スイッチ１１のみしかなく、機械式スイッチ１３を有しない。また、機械式スイッチ１１の位置が、系統連系装置１０ａと異なっている。

【0032】

機械式スイッチ１１は、接続部Ｃ１と遮断器４１との間に接続されている。この場合でも、系統連系装置１０ｃは、系統連系装置１０ａと同様の効果を得ることができる。また、機械式スイッチ１１は、接続部Ｃ２と重要負荷系統３０との間に接続されてもよい。

【0033】

図４の変形例において、機械式スイッチ１１が位置する電力系統はいずれでもよい。つまり、機械式スイッチ１１は単相整流回路より商用電源系統２０または重要負荷系統３０のうち一方側において、接続部Ｃ１またはＣ２に対して直列に接続されていればよい。

【0034】

なお、遮断器４１は、瞬時停電ではなく停電が発生した場合に、復電時に意図しないタイミングで突入電流が流れ二次災害が起きることを予防するために、意図的に開の状態にしておく遮断器である。そのため、遮断器４１は、機械式スイッチ１１（および１３）よりも動作速度が遅い。また、遮断器４１の遮断は自動で行ってもよいが、閉の状態に戻すためには、ユーザの判断が必要となる。

【0035】

図５は、変形例のさらに別の例に係る電源系統１ｄの回路図である。図５では、系統連系装置１０ｄには機械式スイッチ１１のみしかなく、機械式スイッチ１３を有しない。また、機械式スイッチ１１の位置が、系統連系装置１０ａと異なっている。

【0036】

機械式スイッチ１１は、直流リアクトル１５に対し直列に接続されている。この場合でも、系統連系装置１０ｄは、系統連系装置１０ａと同様の効果を得ることができる。

【0037】

すなわち、機械式スイッチ１１（および１３）は、接続部Ｃ１およびＣ２、単相整流回路、ならびに直流リアクトル１５に流れる電流の経路において、直列に少なくとも１つの機械式スイッチを備えればよい。当該機械式スイッチ１１（および１３）を、商用電源系統２０における瞬時電圧低下または瞬時停電の発生時に遮断することによって、商用電源系統２０の影響を、重要負荷系統３０に与えることを防ぐことができる。

【0038】

（機械式スイッチの構造）
図６は、半導体スイッチ１１ａおよび１３ａを機械式スイッチ１１および１３に並列に接続した場合の電源系統１ｅの回路図である。図６では、機械式スイッチ１１および１３に対して、並列に半導体スイッチ１１ａおよび１３ａを設けている。この場合、通常時の通電は機械式スイッチ１１および１３を通して導通するが、遮断する必要がある場合に、半導体スイッチ１１ａおよび１３ａをオンにし、半導体スイッチ１１ａまたは１３ａに転流したうえで、機械式スイッチをオフにする。その後、半導体スイッチ１１ａおよび１３ａをオフにすることで、アークレスで電流を遮断することができるため、高速に動作しえない機械式スイッチであっても、高速に電流を遮断することができる。すなわち、遅くとも３／４サイクルで機械式スイッチ１１および１３ならびに半導体スイッチ１１ａおよび１３ａを遮断することができる。

【0039】

〔まとめ〕

【0040】

上記の課題を解決するために、本発明の態様１に係る系統連系装置は、２つの電力系統間を接続し、両系統を相互に連系させる系統連系装置において、両系統の各相連系端子にそれぞれ接続される２つの接続部と、前記２つの接続部のうち、一方には、一対の第１ダイオードが接続され、他方には、一対の第２ダイオードが接続されて構成される単相整流回路と、前記第１ダイオードと前記第２ダイオードとの各接続点である２つの直流端子間に接続される直流リアクトルと、を備え、前記接続部、前記単相整流回路および前記直流リアクトルに流れる電流の経路において、直列に少なくとも１つの機械式スイッチをさらに備える。

【0041】

上記の構成によれば、安価でコンパクトな系統連系装置を実現することができる。

【0042】

本発明の態様２に係る系統連系装置は、上記態様１において、前記少なくとも１つの機械式スイッチは、前記単相整流回路における前記２つの電力系統の一方側に向かって電流が流れる経路に配置された第１機械式スイッチと、他方側に向かって電流が流れる経路に配置された第２機械式スイッチとを含んでもよい。

【0043】

上記の構成によれば、２つの機械式スイッチによって、系統の連系を遮断することができる。

【0044】

本発明の態様３に係る系統連系装置は、上記態様１において、前記少なくとも１つの機械式スイッチは、前記直流リアクトルに対して直列に接続されてもよい。

【0045】

上記の構成によれば、１つの機械式スイッチによって、系統の連系を遮断することができる。

【0046】

本発明の態様４に係る系統連系装置は、上記態様１において、前記少なくとも１つの機械式スイッチは、前記単相整流回路より一方の前記電力系統側において、前記接続部に対して直列に接続されてもよい。

【0047】

上記の構成によれば、１つの機械式スイッチによって、系統の連系を遮断することができる。

【0048】

本発明の態様５に係る系統連系装置は、上記態様１から４のいずれかにおいて、前記機械式スイッチは、前記電力系統において遅くとも３／４サイクルで遮断してもよい。

【0049】

上記の構成によれば、高速に機械式スイッチによって遮断することができるため、電力系統間での連系を、影響が少ない範囲で遮断することができる。

【0050】

本発明の態様６に係る系統連系装置は、上記態様１から５のいずれかにおいて、制御部をさらに備え、前記制御部は、両系統のいずれか一方の電圧が低下した場合に、前記機械式スイッチを遮断してもよい。

【0051】

上記の構成によれば、機械式スイッチによって、電力系統間での連系を遮断することができるため、両系統間での影響を排除することができる。

【0052】

本発明の態様７に係る系統連系装置は、上記態様１から６のいずれかにおいて、前記機械式スイッチに対し、並列に半導体スイッチをさらに備えてもよい。

【0053】

上記の構成によれば、機械式スイッチから半導体スイッチに電流を転流させることによって、高速にかつアークレスで機械式スイッチを遮断することができるようになる。

【0054】

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0055】

１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１００ 電源系統
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ 系統連系装置
１１、１３ 機械式スイッチ
１１ａ、１３ａ 半導体スイッチ
１２、１４ 第１ダイオード
１５ 直流リアクトル
１６、１７ 第２ダイオード
１８、１９ サイリスタ
２０ 商用電源系統
３０ 重要負荷系統
４２、４３ 相連系端子
Ｃ１、Ｃ２ 接続部
Ｃ３、Ｃ４ 直流端子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】