特許 7353555 電力供給システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-09-22

(45)【発行日】2023-10-02

(54)【発明の名称】電力供給システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 3/06 20060101AFI20230925BHJP

   H02J 3/38 20060101ALI20230925BHJP

   H02J 3/46 20060101ALI20230925BHJP

   H02J 3/32 20060101ALI20230925BHJP

   H02J 3/14 20060101ALI20230925BHJP

   H02J 13/00 20060101ALI20230925BHJP

   H02J 1/00 20060101ALI20230925BHJP

   H02J 9/06 20060101ALI20230925BHJP

【ＦＩ】

H02J3/06

H02J3/38 180

H02J3/46

H02J3/38 130

H02J3/32

H02J3/14

H02J13/00 311T

H02J1/00 306K

H02J9/06 120

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2019126355

(22)【出願日】2019-07-05

(65)【公開番号】P2021013248

(43)【公開日】2021-02-04

【審査請求日】2022-06-22

(73)【特許権者】

【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】100121441

【弁理士】

【氏名又は名称】西村 竜平

(74)【代理人】

【識別番号】100154704

【弁理士】

【氏名又は名称】齊藤 真大

(74)【代理人】

【識別番号】100129702

【弁理士】

【氏名又は名称】上村 喜永

(74)【代理人】

【識別番号】100206151

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 惇志

(74)【代理人】

【識別番号】100218187

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 治子

(72)【発明者】

【氏名】牧 尚子

(72)【発明者】

【氏名】黒田 和宏

【審査官】右田 勝則

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－０４２６３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０６３７２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－０６１２３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１１９５９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１７７５７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０６６９６７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ ３／０６

Ｈ０２Ｊ ３／３８

Ｈ０２Ｊ ３／４６

Ｈ０２Ｊ ３／３２

Ｈ０２Ｊ ３／１４

Ｈ０２Ｊ １３／００

Ｈ０２Ｊ １／００

Ｈ０２Ｊ ９／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

商用電力系統に遮断器を介して接続され、負荷に交流電力を供給する交流配電系統と、
商用電力系統に遮断器を介して接続され、負荷に直流電力を供給する直流配電系統と、
前記交流配電系統又は前記直流配電系統の一方に設けられた発電装置と、
前記交流配電系統又は前記直流配電系統の他方に設けられたエネルギー貯蔵装置と、
前記交流配電系統及び前記直流配電系統を互いに接続する電力変換装置とを備え、
前記電力変換装置を介して前記発電装置の電力又は前記エネルギー貯蔵装置の電力を双方で融通可能に構成されており、
商用電力系統の電圧異常を補償する電圧補償動作及び商用電力系統に対する消費電力を抑制するピークカット動作において、前記発電装置及び前記エネルギー貯蔵装置は、前記交流配電系統の負荷及び前記直流配電系統の負荷に対して電力を供給し、かつ前記発電装置は出力抑制することなく交流配電系統又は直流配電系統に電力を融通することができる、電力供給システム。

【請求項2】

商用電力系統に遮断器を介して接続され、負荷に交流電力を供給する交流配電系統と、
商用電力系統に遮断器を介して接続され、負荷に直流電力を供給する直流配電系統と、
前記交流配電系統又は前記直流配電系統の一方に設けられた発電装置と、
前記交流配電系統又は前記直流配電系統の他方に設けられたエネルギー貯蔵装置と、
前記交流配電系統及び前記直流配電系統を互いに接続する電力変換装置とを備え、
前記電力変換装置を介して前記発電装置の電力又は前記エネルギー貯蔵装置の電力を双方で融通可能に構成されており、
前記交流配電系統及び前記直流配電系統がそれぞれの遮断器により前記商用電力系統から解列された自立運転モードにおいて、前記発電装置及び前記エネルギー貯蔵装置は、前記交流配電系統の負荷及び前記直流配電系統の負荷に対して電力を供給する、電力供給システム。

【請求項3】

前記電力変換装置は、前記エネルギー貯蔵装置の直流電力を交流電力に変換して前記交流配電系統に出力し、前記交流配電系統の交流電力を直流電力に変換して前記エネルギー貯蔵装置に出力するものである、請求項１又は２に記載の電力供給システム。

【請求項4】

前記電力変換装置は、前記エネルギー貯蔵装置と前記直流配電系統との間で直流電圧を変圧するコンバータ部及び前記エネルギー貯蔵装置と前記交流配電系統との間で電力変換を行うインバータ部を有するものである、請求項１又は２に記載の電力供給システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、直流配電系統及び交流配電系統を有する電力供給システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年の再生可能エネルギーの利用拡大により、直流電力を直流負荷に供給して効率的な運用を目指した直流配電システムが普及すると考えられている。この直流配電システムとしては、特許文献１に示すように、直流配電系統に常時接続された蓄電池を有している。

【0003】

一方で、交流配電系統においては、無停電電源装置として、特許文献２に示すように、蓄電池及び非常用発電機を有しており、瞬低・停電時に蓄電池及び非常用発電機を用いて電圧補償するものが考えられている。

【0004】

しかしながら、直流配電システムにおいて、停電時等の自立運転を行う場合において、長時間の電力補償を可能にするためには、大容量の蓄電池が必要になってしまう。蓄電池は大容量になればなるほど当然にコストが高くなってしまう。

【0005】

また、上記の無停電電源装置では、交流配電系統においては、瞬低・停電時にのみ非常用発電機を稼働させるため、非常用発電機を有効活用できていないという問題がある。また、直流配電系統においては、変動性の再生可能エネルギー発電機の利用に際し、直流負荷に依存して出力抑制を強いられる可能性がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特許第５５８４７６３号公報

【文献】特開平５－３８０８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、直流配電系統と交流配電系統を組み合わせた配電系統において、直流配電系統及び交流配電系統の負荷への長時間の電力補償を実現するとともに電力供給システムの簡略化（機器・コストの削減）を図ることをその主たる課題とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

すなわち本発明に係る電力供給システムは、商用電力系統に遮断器を介して接続され、負荷に交流電力を供給する交流配電系統と、商用電力系統に遮断器を介して接続され、負荷に直流電力を供給する直流配電系統と、前記交流配電系統又は前記直流配電系統の一方に設けられた発電装置と、前記交流配電系統又は前記直流配電系統の他方に設けられたエネルギー貯蔵装置と、前記交流配電系統及び前記直流配電系統を互いに接続する電力変換装置とを備え、前記電力変換装置を介して前記発電装置の電力又は前記エネルギー貯蔵装置の電力を双方で融通可能に構成されていることを特徴とする。

【0009】

このような電力供給システムであれば、交流配電系統又は直流配電系統の一方に設けられた発電装置の電力、又は交流配電系統又は直流配電系統の他方に設けられたエネルギー貯蔵装置の電力を、交流配電系統及び直流配電系統の区別なく両方で利用することができるので、直流配電系統及び交流配電系統の負荷への長時間の電力補償を実現するとともに電力供給システムの簡略化を図ることができる。

【0010】

電力供給システムの具体的な動作としては、前記発電装置及び前記エネルギー貯蔵装置は、商用電力系統の電圧異常を補償する電圧補償動作及び商用電力系統に対する消費電力を抑制するピークカット動作を行うことが望ましい。また、前記発電装置は出力抑制することなく交流配電系統又は直流配電系統に電力を融通することが望ましい。

【0011】

その他の電力供給システムの具体的な動作としては、前記交流配電系統及び前記直流配電系統がそれぞれの遮断器により前記商用電力系統から解列された自立運転モードにおいて、前記発電装置及び前記エネルギー貯蔵装置は、前記交流配電系統の負荷及び前記直流配電系統の負荷に対して電力を供給することが望ましい。

【0012】

電力変換装置の具体的な構成としては、前記エネルギー貯蔵装置の直流電力を交流電力に変換して前記交流配電系統に出力し、前記交流配電系統の交流電力を直流電力に変換して前記蓄電装置に出力するものであることが考えられる。

【0013】

また、電力供給システムの構成をより簡略化するためには、前記電力変換装置は、前記エネルギー貯蔵装置と前記直流配電系統との間で直流電圧を変圧するコンバータ部及び前記エネルギー貯蔵装置と前記交流配電系統との間で電力変換を行うインバータ部を有するものであることが望ましい。

【発明の効果】

【0014】

このように構成した本発明によれば、直流配電系統及び交流配電系統の負荷への長時間の電力補償を実現するとともに電力供給システムの簡略化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の一実施形態の電力供給システムの構成を示す模式図である。

【図2】変形実施形態の電力供給システムの構成を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下に、本発明に係る電力供給システムの一実施形態について、図面を参照して説明する。

【0017】

＜電力供給システムの構成＞
本実施形態の電力供給システム１００は、図１に示すように、商用電力系統１に遮断器１１を介して接続され、ＢＣＰ負荷（重要負荷）３及び常用負荷（一般負荷）４等の負荷に交流電力を供給する交流配電系統１０と、商用電力系統１に遮断器１２を介して接続され、ＢＣＰ負荷（重要負荷）５及び常用負荷（一般負荷）６等の負荷に直流電力を供給する直流配電系統２０とを備えたハイブリッド型配電系統である。

【0018】

そして、交流配電系統１０は、交流電力を負荷に送電する電力線１０ａと、当該電力線１０ａに設けられた交流遮断器１０ｂと、電力線１０ａに接続されて負荷３、４に交流電力を供給する発電装置１０ｃとを備えている。

【0019】

本実施形態の交流遮断器１０ｂは、電力線１０ａにおいてＢＣＰ負荷３と常用負荷４との間に設けられており、例えば半導体スイッチと機械式スイッチを組み合わせた所謂ハイブリッドスイッチ等の交流遮断器である。また、発電装置１０ｃは、非常用発電機である。

【0020】

また、直流配電系統２０は、商用電力系統１の交流を直流に変換する第２電力変換装置（ＡＣ－ＤＣコンバータ）２０ａと、直流電力を負荷に送電する電力線２０ｂと、電力線２０ｂに第３電力変換装置（双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ）２０ｃを介して接続されたエネルギー貯蔵装置（二次電池などの蓄電池）２０ｄと、電力線２０ｂに第４電力変換装置（双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ）２０ｅを介して接続された移動式エネルギー貯蔵装置（移動式蓄電池）２０ｆと、電力線２０ｂに第５電力変換装置（ＤＣ－ＤＣコンバータ）２０ｇを介して接続された太陽光発電装置２０ｈとを備えている。また、第３電力変換装置２０ｃ、第４電力変換装置２０ｅ及び第５電力変換装置２０ｇそれぞれの系統側には例えば半導体スイッチ等の直流遮断器２０ｉ～２０ｋが設けられている。

【0021】

そして、本実施形態では、交流配電系統１０及び直流配電系統２０を互いに接続する第１電力変換装置７を備えている。

【0022】

この第１電力変換装置７は、双方向ＡＣ－ＤＣコンバータであり、蓄電池２０ｄの直流電力を交流電力に変換して交流配電系統１０に出力し、交流配電系統１０（具体的には非常用発電機１０ｃ）の交流電力を直流電力に変換して蓄電池２０ｄに出力するものである。なお、第１電力変換装置７と交流配電系統１０とを接続する電力線８には遮断器９が設けられている。

【0023】

この第１電力変換装置７により、非常用発電機１０ｃの交流電力又は蓄電池２０ｄの直流電力を交流配電系統１０及び直流配電系統２０において、双方で融通可能となる。電力融通する場合には、電力線８に設けられた遮断器９は閉じた状態である。なお、第１電力変換装置７を含む全ての電力変換装置、非常用発電機１０ｃ、交流遮断器１０ｂ及び直流遮断器２０ｉ～２０ｋ等は、図示しない制御装置によりその動作が制御される。

【0024】

＜電力供給システム１００の動作＞
次に、上記構成の電力供給システム１００における（１）通常運用時、（２）瞬低・停電時／自立運転モード時の動作を説明する。

【0025】

（１）通常運用時
交流配電系統１０においては、商用電力系統１からの交流電力を交流配電系統１０のＢＣＰ負荷３及び常用負荷４に供給する。このとき、非常用発電機１０ｃは停止した状態である。

【0026】

負荷３、４が拡大して商用電力の契約電力を超えそうな場合には、負荷電流が所定の設定値が超えたか否かによりそれを検出し、交流遮断器１０ｂを開放するとともに、非常用発電機１０ｃを稼働させる。ここで、非常用発電機１０ｃの動作が安定するまでの間、第１電力変換装置７を介して直流配電系統２０の蓄電池２０ｄにより負荷電圧補償動作を行う。非常用発電機１０ｃの動作が安定した後は、蓄電池２０ｄに代えて非常用発電機１０ｃにより負荷電圧補償動作を行う（ピークカット動作）。

【0027】

直流配電系統２０においては、蓄電池２０ｄ及び太陽光発電装置２０ｈの直流電力をＢＣＰ負荷５及び常用負荷６に供給し、足りない場合には、商用電力系統１からの交流電力を第２電力変換装置２０ａを介してＢＣＰ負荷５及び常用負荷６に供給する。なお、蓄電池２０ｄ及び太陽光発電装置２０ｈの直流電力は、変換ロスを低減するために、基本的には、直流配電系統２０の直流負荷５、６により消費する。

【0028】

また、商用電力系統１からの交流電力を第２電力変換装置２０ａを介して供給する場合でも、蓄電池２０ｄ及び太陽光発電装置２０ｈの直流電力を利用して、ピークカットし、商用電力の契約電力を抑制する（ピークカット動作）。

【0029】

（２）瞬低・停電時／自立運転モード時
交流配電系統１０に設置した計器用変圧器（ＶＴ、不図示）により瞬低や停電等の事故を検出した場合、交流配電系統１０では、交流遮断器１０ｂを開放とともに、非常用発電機１０ｃを稼働させる。ここで、非常用発電機１０ｃの動作が安定するまでの間、第１電力変換装置７を介して直流配電系統２０の蓄電池２０ｄにより負荷電圧補償動作を行う。非常用発電機１０ｃの動作が安定した後は、蓄電池２０ｄに代えて非常用発電機１０ｃにより負荷電圧補償動作を行う。さらに、商用電力系統１の復帰時の再連系時も蓄電池２０ｄによる負荷電圧補償動作を行い、スムーズな運用を実現する。

【0030】

交流配電系統１０に設置した計器用変圧器（ＶＴ）により瞬低や停電等の事故を検出した場合、直流配電系統２０では、第２電力変換装置２０ａを停止させるとともに、遮断器１２を開放する。この状態で、直流配電系統２０では、蓄電池２０ｄ及び太陽光発電装置２０ｈにより、少なくともＢＣＰ負荷５に電力を供給する。

【0031】

次に、各電力源の個別の動作について説明する。
（ａ）非常用発電機１０ｃの運用
交流配電系統１０でのピークカット及び直流配電系統２０のピークカット時に、非常用発電機１０ｃの電力を利用する。
なお、非常用発電機１０ｃの交流電力による直流配電系統２０のピークカットは、例えば電気自動車（ＥＶ）の充電時や、蓄電池２０ｄ等によるピークカットが不十分な場合等に行うことが考えられる。なお、電気自動車は、移動式蓄電池２０ｆとして用いることができる。
また、瞬低・停電時又は自立運転モード時において、交流配電系統１０のＢＣＰ負荷３や直流配電系統２０のＢＣＰ負荷５に電力を供給する。

【0032】

（ｂ）蓄電池２０ｄの運用
通常運用時においては、太陽光発電装置２０ｈの発電量の余剰電力（発電量＞直流負荷５、６の消費電力）や夜間電力を充電する。
直流配電系統２０のピークカットに利用して、買電電力のピークを抑制する。また、交流配電系統１０のピークカットに利用することもできる。
また、翌日の太陽光発電装置２０ｈの発電量及び直流負荷５、６の消費電力を予測して、買電電力が最小となるように制御（コストミニマム運転）することもできる。
一方、瞬低・停電時又は自立運転モード時においては、蓄電池２０ｄは、非常用発電機１０ｃの動作が安定するまでの負荷電圧補償に利用される。
また、自立運転モードにおいて、太陽光発電装置２０ｈの発電量及び非常用発電機１０ｃの電力供給での負荷電圧補償に利用される。

【0033】

（ｃ）太陽光発電装置２０ｈの運用
太陽光発電装置２０ｈの電力は、直流配電系統２０の直流負荷５、６に使用される。
また、太陽光発電装置２０ｈの発電量が、直流配電系統２０の直流負荷の消費電力よりも大きい場合は、その余剰電力は蓄電池２０ｄに充電される。
なお、蓄電池２０ｄが満充電、又は所定のＳＯＣ指令値に達した場合は、太陽光発電装置２０ｈの出力を抑制することなく、交流配電系統の負荷へ電力を供給することができる。

【0034】

（ｄ）電気自動車（移動式蓄電池２０ｆ）の運用
ＥＶ充電時は、蓄電池２０ｄ、太陽光発電装置２０ｈ及び非常用発電機１０ｃにより、商用電力系統１の出力ピークを抑制する。
非常時には、ＥＶを移動式蓄電池２０ｆとして、直流配電系統２０のＢＣＰ負荷５へ放電する。あるいは系統から切り離して外部負荷へ電力供給することができる。

【0035】

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態の電力供給システム１００によれば、交流配電系統１０に設けられた非常用発電機１０ｃの電力、直流配電系統２０に設けられた蓄電池２０ｄの電力を、交流配電系統１０及び直流配電系統２０の区別なく両方で利用することができるので、交流配電系統１０及び直流配電系統２０の負荷３～６への長時間の電力補償を実現するとともに電力供給システム１００の簡略化及びコスト削減を図ることができる。

【0036】

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

【0037】

例えば、前記実施形態では、蓄電池（エネルギー貯蔵装置）に対して第１電力変換装置７及び第３電力変換装置２０ｃを設けているが、これらを１つの電力変換装置により構成しても良い。具体的には、図２に示すように、第１電力変換装置７は、蓄電池と直流配電系統との間で直流電圧を変圧するコンバータ部及び蓄電池と交流配電系統との間で電力変換を行うインバータ部を有する３端子構成にものとすることが考えられる。

【0038】

また、前記実施形態では、エネルギー貯蔵装置として二次電池等の蓄電池を用いているが、その他、揚水発電方式のもの、圧縮空気貯蔵方式のもの、超電導電力貯蔵方式のもの、フライホイール、電気二重層キャパシタ等であっても良い。

【0039】

さらに、前記実施形態では、非常用発電機を交流配電系統に設け、蓄電池を直流配電系統に設けていたが、非常用発電機を直流配電系統に設け、蓄電池を交流配電系統に設けても良い。

【0040】

その上、前記実施形態では、第１電力変換装置７を介して電力を融通する構成であったが、第２電力変換装置２０ａを介して電力を融通する構成としてもよい。この場合、第２電力変換装置２０ａには、双方向ＡＣ－ＤＣコンバータを用いる。

【0041】

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

【符号の説明】

【0042】

１００・・・電力供給システム
１・・・商用電力系統
１１・・・交流配電系統の遮断器
１２・・・直流配電系統の遮断器
３～６・・・負荷
１０・・・交流配電系統
２０・・・直流配電系統
１０ｃ・・・発電装置（非常用発電機）
２０ｄ・・・エネルギー貯蔵装置（蓄電池）
７・・・電力変換装置

【図1】

【図2】