JP4856692B2 - 電力供給システム及び電力切替装置 - Google Patents

Description

出願人は、これまで、太陽光発電など、新エネルギーにより得られる電力を有効活用するための技術について研究・開発してきた（特許文献１及び特許文献２参照）。

特許第３７５９１５１号 実用新案登録第３１２２８１５号

しかしながら、このような新エネルギーより得られる電力を大量に導入した場合、系統に与える影響は様々なものが考えられる。

まず、軽負荷時に、余剰電力を配電線へ逆潮流することにより、電圧が上昇することがある。例えば、需要が低い土日、年末年始や５月連休期間での余剰電力による電圧抑制が必要である。特に、太陽光発電は５月が年間でも一番発電量が多く、その対策が求められる。現状の電圧上昇対策は、例えば、太陽光パワコンにて発生する電力を絞って電圧上昇を防いでいる。しかし、これは、発生可能なＣＯ２を発生しない自然エネルギーを無駄に処分するものである。

また、新エネルギー出力の急変による周波数急変での連系点での一斉解列がある。さらに、配電線故障停電時の単独運転による保安上の問題もある。

現在、これらの課題に対して、系統側・需要側における対応について、経済性、効果を考慮して検討されている。

そこで、本願発明は、太陽光発電などの自然エネルギーの大量導入による系統電圧上昇などの課題の解決に適した電力供給システム等を提案することを目的とする。

請求項１に係る発明は、商用電力供給源と、前記商用電力供給源とは異なる発電源と、少なくとも前記発電源から供給された電力を蓄電可能な蓄電手段を備える電力供給システムであって、負荷に対して、前記商用電力供給源、前記発電源及び前記蓄電手段の少なくとも一つから電力を供給させる電力切替手段と、前記発電源が発電した電力を前記電力切替手段に供給する電力変換手段と、前記蓄電手段が蓄電した電力を前記電力切替手段に供給し、又は、前記蓄電手段に余剰電力を供給する双方向電力変換手段を備え、前記電力切替手段は、一端を前記商用電力供給源に接続し、他端を前記電力変換手段及び第２切替手段に接続する前記第１切替手段と、一端を前記電力変換手段及び前記第１切替手段に接続し、他端を前記双方向電力供給源及び前記負荷に接続する前記第２切替手段と、前記商用電力供給源との間の電圧、潮流及び停電を検知可能な第１検知手段と、前記蓄電手段の放電と前記負荷に供給される電力を検知可能な第２検知手段を備えるものであり、前記電力切替手段は、前記第１検知手段が前記商用電力供給源との間で逆潮流及び電圧上昇を検知した場合は、前記第１切替手段により前記商用電力供給源を解列し、前記発電源から供給された余剰電力を前記蓄電手段に蓄電させ、前記第１検知手段が前記商用電力供給源の停電を検知した場合は、前記第１切替手段により前記商用電力供給源を解列し、前記発電源及び前記蓄電手段の少なくとも一方から電力を供給させ、前記第２検知手段が前記蓄電手段の放電が前記負荷に供給される電力より大きいことを検知した場合に、前記第２切替手段により前記商用電源供給源及び前記発電源を解列して前記蓄電手段から前記負荷に対して電力を供給させるものである。

請求項２に係る発明は、商用電力供給源と、前記商用電力供給源とは異なる発電源と、少なくとも前記発電源から供給された電力を蓄電可能な蓄電手段の少なくとも一つから生じる電力を負荷に供給する電力切替装置であって、前記発電源は、電力変換手段を経由して、発電した電力を供給するものであり、前記蓄電手段は、双方向電力変換手段を経由して、蓄電した電力を供給し、又は、余剰電力が供給されるものであり、前記負荷に対して、前記商用電力供給源、前記発電源及び前記蓄電手段の少なくとも一つから電力を供給させる制御手段と、一端を前記商用電力供給源に接続し、他端を、前記電力変換手段及び第２切替手段に接続する第１切替手段と、一端を前記電力変換手段及び前記第１切替手段に接続し、他端を前記双方向電力供給源及び前記負荷に接続する前記第２切替手段と、前記商用電力供給源との間の電圧、潮流及び停電を検知可能な第１検知手段と、前記蓄電手段の放電と前記負荷に供給される電力を検知可能な第２検知手段を備え、前記制御手段は、前記第１検知手段が前記商用電力供給源との間で逆潮流及び電圧上昇を検知した場合は、前記第１切替手段により前記商用電力供給源を解列し、前記発電源から供給された余剰電力を前記蓄電手段に蓄電させ、前記第１検知手段が前記商用電力供給源の停電を検知した場合は、前記第１切替手段により前記商用電力供給源を解列し、前記発電源及び前記蓄電手段の少なくとも一方から電力を供給させ、前記第２検知手段が前記蓄電手段の放電が前記負荷に供給される電力より大きいことを検知した場合に、前記第２切替手段により前記商用電源供給源及び前記発電源を解列して前記蓄電手段から前記負荷に対して電力を供給させるものである。

本願発明によれば、例えば家庭用太陽光発電システムのような既存の発電源に電力貯蔵装置を併設して制御手段の動作により、その地点（ポイント）で電圧を抑制し、出力変動への対策を行うことが可能となる。さらに、例えば深夜電力で蓄電手段に貯蔵することにより、需要側は電力料金を削減することが可能となり、電力供給側は深夜電力を底上げし、昼間電力のピークシフトが可能となり、負荷平準化が効果的に動作することとなる。さらに、太陽光発電や電力貯蔵システムによりＣＯ２の削減効果があり、環境保全に寄与することができる。

このように、本願発明によれば、例えば既存の太陽光発電システムなどを活用しつつ、太陽光発電などの自然エネルギーの大量導入により生じる様々な問題点を解決する自律制御を実現することが可能となる。

以下では、図面を参照して、本願発明の実施の形態の一例について説明する。

図１は、本願発明の実施の形態に係る電力供給システム１の構成を示したブロック図である。

電力供給システム１は、太陽光発電システム３と、商用電力供給源５（ＡＣ200Ｖ、１φ３Ｗ）と、電力貯蔵装置７と、負荷９を備える。太陽光発電システム３は、既存のものを流用することができる。負荷９は、例えば家電負荷である。

太陽光発電システム３は、太陽光発電パネル１１と電力変換装置１３を備える。太陽光発電パネル１１により生じた電力は、電力変換装置１３により変換され、電力貯蔵装置７に供給される。

電力貯蔵装置７は、本実施例では、例えばエネ・パック（登録商標）のような小電力蓄電システムである。電力貯蔵装置７は、コントローラ部２１と電力貯蔵電池２３を備える。電力貯蔵電池２３は、例えば約１０ｋＷｈのものであり、昼間放電し、夜間充電するものである。

コントローラ部２１は、受電用ＥＬＣＢ３１と、電力切替器３３と、インバータトランス３５と、双方向コンバータ３７と、双方向コンバータ３７を制御する制御装置３９を備える。太陽光発電システム３は電力切替器３３と電気的に接続し（矢印ａ参照）、商用電力供給源５は受電用ＥＬＣＢ３１を介して電力切替器３３と電気的に接続し（矢印ｂ及び矢印ｃ参照）、電力貯蔵電池２３は、双方向コンバータ３７とインバータトランス３５を介して電力切替器３３に電気的に接続する（矢印ｄ及び矢印ｅ参照）。負荷９には、太陽光発電システム３、商用電力供給源５及び電力貯蔵電池２３から供給される電力の少なくとも一つが供給される（矢印ｂ参照）。

以下では、電力切替器３３について具体的に説明する。

まず、電力切替器３３の構成について説明する。電力切替器３３は、単独運転防止での解列及び投入用のスイッチである第１スイッチ４１（ＭＳ）と、静止型のスイッチで逆潮流防止用の高速スイッチである第２スイッチ４３（ＴＳ）と、第１スイッチ・第２スイッチ等の内部異常時のバイパススイッチである第３スイッチ４５（ＭＳ）と、電圧、潮流、単独運転（停電）を計測する第１センサ４６と、電圧、潮流を計測する第２センサ４７と、電圧、潮流を計測する第３センサ４８と、電力切替器３３の動作を制御する制御部４９を備える。制御部４９は、例えば、第１センサ４６、第２センサ４７及び第３センサ４８により計測される、太陽光発電電力ａ、負荷ｂ、バッテリー放電ｅ、バッテリー放電ｆなどの値に基づいて、各スイッチの開閉を制御する。これらの接続関係について説明する。第１センサ４６は、商用電力供給源５に対して入力側に位置し、一方を受電用ＥＬＣＢ３１と接続し、他方を第１スイッチ４１及び第３スイッチ４５と接続する。第１スイッチ４１は、一方を第１センサ４６及び第３スイッチ４５に接続し、他方を太陽光発電システム３及び第２センサ４７と接続する。第２センサ４７は、一方を太陽光発電システム３及び第１スイッチ４１と接続し、他方を第２スイッチ４３と接続する。第２スイッチ４３は、一方を第２センサ４７と接続し、他方を第３センサ４８及び負荷９と接続する。第３センサ４８は、一方を第２スイッチ４３及び負荷９と接続し、他方をインバータトランス３５と接続する。第３スイッチ４５は、一方を第１センサ４６及び第１スイッチ４１と接続し、他方を負荷９と接続する。

続いて、電力切替器３３の動作について説明する。

まず、通常運転時の動作について説明する。基本的には、余剰電力を売電する。具体的には、各スイッチの状態は、第１スイッチ４１及び第２スイッチ４３が閉、第３スイッチ４５が開である。太陽光発電電力ａが（負荷ｂ−バッテリー放電ｆ）より大きい場合は、余剰電力ｃは電力会社へ売電される（なお、バッテリー放電ｆは電力会社には売電できない。）。太陽光発電電力ａが（負荷ｂ−バッテリー放電ｆ）より小さい場合は、不足電力ｄは電力会社から買電される。バッテリー放電ｆが負荷ｂより大きくなったら瞬時に第２スイッチ４３を開して、上位への逆潮流を防止する。夜間時間になれば、電力貯蔵電池に電力は充電される。太陽光発電システム３、電力貯蔵電池２３などの装置異常の場合は、第３スイッチ４５を閉、第１スイッチ４４を開してバイパス回路を形成し、負荷９に電力を支障なく供給することができる。

次に、系統電圧上昇時の動作について説明する。基本的には、第１スイッチ４１を解列し、太陽光発電システム３の余剰電力を電力貯蔵電池２３に貯蔵する。具体的には、各スイッチの状態は、最初は、通常運転時と同様に、第１スイッチ４１及び第２スイッチ４３が閉、第３スイッチ４５が開である。上記のように、太陽光発電電力ａが（負荷ｂ−バッテリー放電ｆ）より大きい場合は、余剰電力ｃは電力会社へ売電される。このとき、第１センサ４６は電圧を検出する。第１センサ４６が検出した電圧が規定値より高くなりうると判断された場合、第１スイッチ４１を開して系統側から切り離し、電力貯蔵電池２３に太陽光で発電した余剰電力を充電し貯蔵する。その後、第１センサ４６により検出された電圧が規定値に戻れば、再度第１スイッチ４１を閉して通常運転に戻り、貯蔵された電力を使用する。このように、新エネルギー発電と電力貯蔵装置の併設での自立運転による系統への影響除去対策が可能になる。

次に、系統側停電時（系統瞬断時）の動作について説明する。基本的には、第１スイッチ４１を解列し、負荷９への電力供給は太陽光発電システム３及び電力貯蔵電池２３から無停電にて行う。具体的には、各スイッチの状態は、最初は、通常運転時と同様に、第１スイッチ４１及び第２スイッチ４３が閉、第３スイッチ４５が開である。太陽光発電電力ａが（負荷ｂ−バッテリー放電ｆ）より大きい場合は、余剰電力ｃは電力会社へ売電される。第１センサ４６が単独運転を感知した場合は、第１スイッチ４１を開して系統側から切り離し、太陽光発電ａとバッテリー放電ｆによって自立運転を開始する。停電が復旧したことを規定時間確認できたら通常運転に戻る。これにより、需要側は、無瞬断電源装置（ＵＰＳ）機能により自立運転が可能となる。

このように、例えば家庭用太陽光発電システムのような既存の太陽光発電システム３に、例えばエネ・パック（登録商標）のような電力貯蔵装置を併設して、電力切替器３３の動作により、その地点（ポイント）で電圧を抑制し、出力変動への対策が可能となる。さらに、電気自動車やヒートポンプなどの夜間電力需要と同様に、深夜電力で貯蔵することにより、需要側は電力料金を削減することが可能となり、電力供給側は深夜電力を底上げし、昼間電力のピークシフトが可能となり、負荷平準化が効果的に動作することとなる。さらに、太陽光発電や電力貯蔵システムによりＣＯ２の削減効果があり、環境保全に寄与することができる。特に、電圧上昇抑制対策は、発生余剰電力を電力貯蔵装置７に蓄電し、後で放電することにより、従来技術では発生していたＣＯ２を発生させずに済むこととなる。そのため、自然エネルギーを有効に利用することができる。

なお、電力貯蔵電池２３は、汎用的な鉛蓄電池を使用してもよく、リチウムイオン蓄電池を使用してもよい。リチウムイオン蓄電池であれば、設置面積が少なく、エネルギー密度の高いものとなる。

また、本実施例では、電力供給システム１において、太陽光発電システム３により発電された場合を例にして説明したが、例えば、風力発電システムなど、その他の自然エネルギーにより発電される場合であってもよい。

このように、電力供給システム１のように太陽光発電システム３を接続することにより、例えば既存の太陽光発電システムなどを活用しつつ、太陽光発電などの自然エネルギーの大量導入により生じる様々な問題点を解決する自律制御を実現することが可能となる。

本願発明の実施の形態に係る電力供給システム１の構成を示したブロック図である。

符号の説明

１ 電力供給システム、３ 太陽光発電システム、５ 商用電力供給源、７ 電力貯蔵装置、９ 負荷、２３ 電力貯蔵電池、３３ 電力切替器、４１ 第１スイッチ、４３ 第２スイッチ、４５ 第３スイッチ、４６ 第１センサ、４７ 第２センサ、４８ 第３センサ

Claims (2)

1. 商用電力供給源と、前記商用電力供給源とは異なる発電源と、少なくとも前記発電源から供給された電力を蓄電可能な蓄電手段を備える電力供給システムであって、
   負荷に対して、前記商用電力供給源、前記発電源及び前記蓄電手段の少なくとも一つから電力を供給させる電力切替手段と、
   前記発電源が発電した電力を前記電力切替手段に供給する電力変換手段と、
   前記蓄電手段が蓄電した電力を前記電力切替手段に供給し、又は、前記蓄電手段に余剰電力を供給する双方向電力変換手段を備え、
   前記電力切替手段は、
   一端を前記商用電力供給源に接続し、他端を前記電力変換手段及び第２切替手段に接続する前記第１切替手段と、
   一端を前記電力変換手段及び前記第１切替手段に接続し、他端を前記双方向電力供給源及び前記負荷に接続する前記第２切替手段と、
   前記商用電力供給源との間の電圧、潮流及び停電を検知可能な第１検知手段と、
   前記蓄電手段の放電と前記負荷に供給される電力を検知可能な第２検知手段を備えるものであり、
   前記電力切替手段は、
   前記第１検知手段が前記商用電力供給源との間で逆潮流及び電圧上昇を検知した場合は、前記第１切替手段により前記商用電力供給源を解列し、前記発電源から供給された余剰電力を前記蓄電手段に蓄電させ、
   前記第１検知手段が前記商用電力供給源の停電を検知した場合は、前記第１切替手段により前記商用電力供給源を解列し、前記発電源及び前記蓄電手段の少なくとも一方から電力を供給させ、
   前記第２検知手段が前記蓄電手段の放電が前記負荷に供給される電力より大きいことを検知した場合に、前記第２切替手段により前記商用電源供給源及び前記発電源を解列して前記蓄電手段から前記負荷に対して電力を供給させる、電力供給システム。
2. 商用電力供給源と、前記商用電力供給源とは異なる発電源と、少なくとも前記発電源から供給された電力を蓄電可能な蓄電手段の少なくとも一つから生じる電力を負荷に供給する電力切替装置であって、
   前記発電源は、電力変換手段を経由して、発電した電力を供給するものであり、
   前記蓄電手段は、双方向電力変換手段を経由して、蓄電した電力を供給し、又は、余剰電力を供給されるものであり、
   前記負荷に対して、前記商用電力供給源、前記発電源及び前記蓄電手段の少なくとも一つから電力を供給させる制御手段と、
   一端を前記商用電力供給源に接続し、他端を、前記電力変換手段及び第２切替手段に接続する第１切替手段と、
   一端を前記電力変換手段及び前記第１切替手段に接続し、他端を前記双方向電力供給源及び前記負荷に接続する前記第２切替手段と、
   前記商用電力供給源との間の電圧、潮流及び停電を検知可能な第１検知手段と、
   前記蓄電手段の放電と前記負荷に供給される電力を検知可能な第２検知手段を備え、
   前記制御手段は、
   前記第１検知手段が前記商用電力供給源との間で逆潮流及び電圧上昇を検知した場合は、前記第１切替手段により前記商用電力供給源を解列し、前記発電源から供給された余剰電力を前記蓄電手段に蓄電させ、
   前記第１検知手段が前記商用電力供給源の停電を検知した場合は、前記第１切替手段により前記商用電力供給源を解列し、前記発電源及び前記蓄電手段の少なくとも一方から電力を供給させ、
   前記第２検知手段が前記蓄電手段の放電が前記負荷に供給される電力より大きいことを検知した場合に、前記第２切替手段により前記商用電源供給源及び前記発電源を解列して前記蓄電手段から前記負荷に対して電力を供給させる、電力切替装置。

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