JP6106374B2

JP6106374B2 - 電力供給システム

Info

Publication number: JP6106374B2
Application number: JP2012152789A
Authority: JP
Inventors: 宮長　晃一; 晃一宮長; 前出　淳; 淳前出
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2032-07-06
Also published as: JP2014017942A

Description

本発明は、電力供給システムに関する。

近年、再生可能エネルギーの活用が進められており、太陽光発電や風力発電などの導入が進められている。電力会社は、これらの発電を、火力、水力、原子力発電などと組み合わせて利用しており、太陽光発電や風力発電の発電力の大小にかかわらずに、各家庭、オフィス、工場に供給される商用交流電圧の電圧範囲および周波数が一定となるように、その他の発電量を調節している。

特開２０１０−２７８０３６号公報

ここで太陽光発電や風力発電による発電量は、天候によって左右されやすく、また発電量の予測が困難であることから、商用交流電圧の電圧範囲および周波数を安定化することは難しい。将来、再生可能エネルギーを利用した発電がさらに促進されると、電力会社による電力調整はより困難なものとなり、電力系統から供給される電力の変動の問題はより顕著となる。

最近では、一般家庭や工場、ビルなどに、自家発電装置の普及が進んでいる。自家発電装置による余剰電力は、電力会社によって買電され、電力系統に回収される。電力会社は、各家庭、工場、ビルに設けられた各発電機の発電量を正確に把握することは困難であるため、電力の安定化はますます困難となる。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、電力の安定化にある。

本発明のある態様は、電力系統と接続される電力供給システムに関する。電力供給システムは、電力系統と接続されるとともに、電力を供給すべき負荷が接続される配電線と、直流電力信号を発生する環境発電システムと、その１次側が環境発電システムと接続され、その２次側が配電線を介して電力系統と接続され、その１次側の直流電力信号を交流電力信号に変換してその２次側に発生させるインバータと、電力系統からの交流電力信号の電圧をモニタし、その結果に応じて本電力供給システムの少なくともひとつのブロックを制御するコントローラと、を備える。

この態様によると、電力供給システム内の状態を、交流電力信号の電圧が安定化するように制御することができ、電力を安定化できる。

本発明の別の態様もまた、電力供給システムである。この電力供給システムは、電力系統と接続されるとともに、電力を供給すべき負荷が接続される配電線と、直流電力信号を発生する環境発電システムと、その１次側が環境発電システムと接続され、その２次側が配電線を介して電力系統と接続され、その１次側の直流電力信号を交流電力信号に変換してその２次側に発生させるインバータと、電力系統からの交流電力信号の周波数をモニタし、その結果に応じて本電力供給システムの少なくともひとつのブロックを制御するコントローラと、を備える。

本発明のさらに別の態様もまた、電力供給システムである。この電力供給システムは、電力系統と接続されるとともに、電力を供給すべき負荷が接続される配電線と、直流電力信号を発生する環境発電システムと、その１次側が環境発電システムと接続され、その２次側が配電線を介して電力系統と接続され、その１次側の直流電力信号を交流電力信号に変換してその２次側に発生させるインバータと、電力系統からの交流電力信号の状態をモニタし、その結果に応じてインバータを制御するコントローラと、を備える。

この態様によると、逆潮流を制御することにより、電力を安定化できる。

本発明のさらに別の態様もまた、電力供給システムである。この電力供給システムは、電力系統と接続されるとともに、電力を供給すべき負荷が接続される配電線と、直流電力信号を発生する環境発電システムと、その１次側が環境発電システムと接続され、その２次側が配電線を介して電力系統と接続され、その１次側の直流電力信号を交流電力信号に変換してその２次側に発生させるインバータと、電力系統からの交流電力信号の状態をモニタし、その結果に応じて負荷を制御する周波数コントローラと、を備える。

この態様によると、負荷を制御することにより電力を安定化できる。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、電力を安定化できる。

実施の形態に係る電力供給システムを示すブロック図である。双方向インバータの構成例を示す回路図である。双方向コンバータの構成例を示す回路図である。双方向コンバータの別の構成例を示す回路図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図１は、実施の形態に係る電力供給システム１００を示すブロック図である。電力供給システム１００は、一般家庭、ビル、工場内に設置され、電力系統４と接続される。

電力供給システム１００は、配電線１０、環境発電システム２０、双方向インバータ３０、蓄電手段４０、双方向コンバータ４２、コントローラ５０を備える。

配電線１０は、送電線６を介して電力系統４と接続されるとともに、電力を供給すべき負荷１２が接続される。一般家庭で使用される負荷１２としては、エアコンや冷蔵庫、照明機器、テレビなどが例示される。工場で使用される負荷１２としては、空調設備、モータ、プレス機、半導体製造装置などが例示される。ビルで使用される負荷１２としては、空調設備や照明機器が例示される。このように負荷１２の種類は特に限定されない。

環境発電システム２０は、直流電力信号を発生する。たとえば環境発電システム２０は、太陽光を電気エネルギーに変換する太陽電池（ソーラーパネル）２２と、太陽電池２２の出力電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ２４を備える。環境発電システム２０の種類は特に限定されず、風力発電機、地熱発電機などであってもよい。

双方向インバータ３０は、その１次（Ｐ）側が環境発電システム２０と接続され、その２次（Ｓ）側が配電線１０を介して電力系統４と接続される。双方向インバータ３０は、２つのモードが切りかえ可能となっている。第１モードにおいて双方向インバータ３０は、その１次側の直流電力信号Ｐ_ＤＣを交流電力信号Ｐ_ＡＣに変換してその２次側に発生させる。第２モードにおいて双方向インバータ３０は、その２次側の交流電力信号Ｐ_ＡＣを直流電力信号Ｐ_ＤＣに変換してその１次側に発生させる。

双方向インバータ３０の構成は特に限定されず、公知の技術を用いればよい。図２は、双方向インバータ３０の構成例を示す回路図である。２次側（Ｓ）は３相交流であるとする。双方向インバータ３０は、Ｐ線Ｌ_Ｐ、Ｎ線Ｌ_Ｎ、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のスイッチングトランジスタＭＨ_Ｕ〜Ｗ、ＭＬ_Ｕ〜Ｗ、ドライバ３２、コントローラ３４を備える。

コントローラ３４は、１次側の状態および／または２次側の状態を監視し、より具体的には、１次側の電圧および／または電流、２次側の電圧および／または電流を監視し、スイッチングトランジスタＭＨ_Ｕ〜Ｗ、ＭＬ_Ｕ〜Ｗを駆動するための制御信号を生成する。コントローラ３４は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を行ってもよいし、その他の制御を行ってもよい。ドライバ３２は、コントローラ３４が生成した制御信号にもとづいて、スイッチングトランジスタＭＨ_Ｕ〜Ｗ、ＭＬ_Ｕ〜Ｗを駆動する。

図１に戻る。蓄電手段４０は、リチウムイオン電池などの２次電池、あるいは電気二重層キャパシタであり、環境発電システム２０が発生した電力、あるいは電力系統４から供給された電力を、一時的に蓄えるために設けられる。

双方向コンバータ４２は、双方向インバータ３０の１次側（Ｐ）に接続され、蓄電手段４０を充放電する。すなわち、双方向コンバータ４２は、充電状態と放電状態が切りかえ可能に構成され、充電状態においては、環境発電システム２０が発生した直流電力信号、および／または電力系統４から供給された交流電力信号にもとづいて双方向インバータ３０が生成した直流電力信号を受け、その電圧レベルを降圧して蓄電手段４０を充電する。放電状態においては、蓄電手段４０から出力される直流電力信号を受け、それを昇圧して蓄電手段４０の１次側に供給する。

図３は、双方向コンバータ４２の構成例を示す回路図である。双方向コンバータ４２は、第１端子Ｐ１、第２端子Ｐ２、第１トランジスタＭ１、第２トランジスタＭ２、インダクタＬ１、コントローラ４４、ドライバ４６、を備える。第１端子Ｐ１には、環境発電システム２０および双方向インバータ３０が接続され、第２端子Ｐ２には蓄電手段４０が接続される。

双方向コンバータ４２は充電状態において、第１端子Ｐ１を入力、第２端子Ｐ２を出力とする降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する。また双方向コンバータ４２は、放電状態において、第２端子Ｐ２を入力、第１端子Ｐ１を出力とする昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する。

コントローラ４４には、電池電圧Ｖ_ＢＡＴ、充電電流Ｉ_ＣＨＧ、放電電流Ｉ_ＤＩＳ、第１端子Ｐ１の電圧それぞれを示す検出信号がフィードバックされる。コントローラ４４は、充電状態において、電池電圧Ｖ_ＢＡＴが一定（定電圧ＣＶモード）になるようにパルス変調され、または充電電流Ｉ_ＣＨＧが一定（定電流ＣＣモード）になるようにパルス変調された制御信号を生成する。ドライバ４６は、コントローラ４４からの制御信号にもとづいて第１トランジスタＭ１、第２トランジスタＭ２をスイッチングする。

またコントローラ４４は、放電状態において、第１端子Ｐ１の電圧Ｖ１が一定になるようにパルス変調された制御信号を生成する。ドライバ４６は、コントローラ４４からの制御信号にもとづいて第１トランジスタＭ１、第２トランジスタＭ２をスイッチングする。

図４は、双方向コンバータ４２の別の構成例を示す回路図である。第１端子Ｐ１には、環境発電システム２０および双方向インバータ３０が接続され、第２端子Ｐ２には蓄電手段４０が接続される。双方向コンバータ４２は、Ｈブリッジ回路ＨＢ１、ＨＢ２、絶縁トランスＴ１、ゲートドライバＤＲ１、ＤＲ２、コントローラＣＯＮＴ１、ＣＯＮＴ２を備える。

絶縁トランスＴ１の１次巻線Ｗ１は、第１Ｈブリッジ回路ＨＢ１と接続され、絶縁トランスＴ１の２次巻線Ｗ２は、第２Ｈブリッジ回路ＨＢ２と接続される。コントローラＣＯＮＴ１、ＣＯＮＴ２にはそれぞれ、第１端子Ｐ１の電圧およびそれに流れる電流を示す検出信号と、第２端子Ｐ２の電圧およびそれに流れる電流を示す検出信号と、が入力される。

第１コントローラＣＯＮＴ１は、第１Ｈブリッジ回路ＨＢ１のトランジスタを制御するための制御信号Ｓ１を生成する。第１ドライバＤＲ１は、制御信号Ｓ１にもとづいて第１Ｈブリッジ回路ＨＢ１を制御する。同様に第２コントローラＣＯＮＴ２は、第２Ｈブリッジ回路ＨＢ２のトランジスタを制御するための制御信号Ｓ２を生成する。第２ドライバＤＲ２は、制御信号Ｓ２にもとづいて第２Ｈブリッジ回路ＨＢ２を制御する。

蓄電手段４０の充電時には、第１端子Ｐ１から第２端子Ｐ２の向きに電力が電送される。具体的には、充電時には、第１Ｈブリッジ回路ＨＢ１はスイッチング駆動され、インバータとして動作する一方、第２Ｈブリッジ回路ＨＢ２は整流回路として動作する。より具体的には、第１コントローラＣＯＮＴ１は、定電流充電時には、充電電流が目標値と一致するように、また定電圧充電時には、電池電圧が目標値と一致するように、デューティ比が調節されるパルス変調信号を生成する。第１ドライバＤＲ１は、パルス変調信号に応じたデューティ比で第１Ｈブリッジ回路ＨＢ１をスイッチングする。

蓄電手段４０の放電時には、第２端子Ｐ２から第１端子Ｐ１の向きに電力が電送される。具体的には、放電時には、第２Ｈブリッジ回路ＨＢ２はスイッチング駆動され、インバータとして動作する一方、第１Ｈブリッジ回路ＨＢ１は整流回路として動作する。より具体的には、第２コントローラＣＯＮＴ２は、第１端子Ｐ１の電圧が目標値と一致するようにデューティ比が調節されるパルス変調信号を生成する。第２ドライバＤＲ２は、パルス変調信号に応じたデューティ比で第２Ｈブリッジ回路ＨＢ２をスイッチングする。

なお双方向コンバータ４２の構成も特に限定されず、公知のあるいは将来利用可能な技術を用いればよい。

図１に戻る。続いてコントローラ５０について説明する。コントローラ５０は、配電線１０の交流電力信号Ｐ_ＡＣの状態にもとづいて、電力供給システム１００全体を統括的に制御する。以下、コントローラ５０の構成およびコントローラ５０による制御を説明する。

コントローラ５０は、電圧モニター回路５２、電圧コントローラ５４、周波数モニター回路５６、周波数コントローラ５８を備える。

電圧モニター回路５２は、配電線１０に生ずる交流電力信号Ｐ_ＡＣの電圧（系統電圧という）Ｖ_ＡＣをモニタする。電圧モニター回路５２はたとえばＡ／Ｄコンバータである。コントローラ５０は、系統電圧Ｖ_ＡＣのモニタ結果に応じて本電力供給システムの少なくともひとつのブロックを制御する。

本実施の形態において電圧コントローラ５４は、系統電圧Ｖ_ＡＣにもとづいて双方向インバータ３０を制御する。電圧コントローラ５４は、系統電圧Ｖ_ＡＣに応じて、双方向インバータ３０が第１モードで動作するときの出力パワーを制御する。具体的には系統電圧Ｖ_ＡＣが定格レベルよりも高くなると、双方向インバータ３０の出力パワーを低減する。反対に系統電圧Ｖ_ＡＣが定格レベル低くなると、双方向インバータ３０の出力パワーを上昇させてもよい。

より好ましくは、電圧コントローラ５４は、系統電圧Ｖ_ＡＣの変動速度に応じて、双方向インバータ３０の制御を行う。具体的には変動速度が速い場合には、双方向インバータ３０の出力パワーを速く制限し、変動速度が遅い場合には、出力パワーを緩やかに制限してもよい。すなわちコントローラ５０は、系統電圧Ｖ_ＡＣの変動の長さに応じて、制御方法を切りかえてもよい。

電圧コントローラ５４は、双方向インバータ３０に加えて、系統電圧Ｖ_ＡＣに影響を及ぼしうる負荷を制御してもよい。この場合、コントローラ５０は、系統電圧Ｖ_ＡＣの変動の長さ（周期）に応じて、制御対象を切りかえてもよい。

周波数モニター回路５６は、交流電力信号Ｐ_ＡＣの周波数ｆ_ＡＣをモニタする。周波数コントローラ５８は、周波数のモニタ結果に応じて、電力供給システム１００の少なくともひとつのブロックを制御する。

本実施の形態において周波数モニター回路５６は、周波数ｆ_ＡＣにもとづいて、双方向インバータ３０の状態を制御する。
通常、電力系統４は、交流電力信号Ｐ_ＡＣの周波数ｆ_ＡＣを、所定の定格周波数となるように制御しているが、制御可能な範囲は限定されている。環境発電システム２０の発電量が大きく、逆潮流が生ずる状態では、電力系統４における周波数制御が可能範囲を逸脱する場合がある。かかる状況において、周波数コントローラ５８は、双方向インバータ３０の第１モードにおける出力パワーを制限する。この制御は、中期的あるいは長期的な周波数変動に対して有効である。出力パワーの制限にかかわらず、周波数ｆ_ＡＣが定格周波数に収束しない場合、周波数コントローラ５８は双方向インバータ３０を停止してもよい。

周波数コントローラ５８は、双方向インバータ３０に加えて、周波数ｆ_ＡＣに影響を及ぼしうる負荷１２の状態を制御する。たとえばモータなどは、その動作時にノイズを発生し、周波数ｆ_ＡＣに影響を与える。周波数コントローラ５８による負荷１２の制御は、主として短時間での周波数変動に対する対策として有効である。周波数コントローラ５８は、周波数ｆ_ＡＣの変動が大きくなると、それに影響を及ぼしていると推定される負荷１２の出力を制限し、あるいは完全に停止させる。また、負荷１２の出力の制限にかかわらずに、周波数変動が改善されない場合、負荷１２による影響ではない可能性が高いため、負荷１２の出力制限を解除してもよい。

コントローラ５０は、交流電力信号Ｐ_ＡＣの周波数ｆ_ＡＣの変動の長さ（周期）に応じて、制御対象を切りかえてもよい。またコントローラ５０は、交流電力信号Ｐ_ＡＣの周波数ｆ_ＡＣの変動の長さに応じて、制御方法を切りかえてもよい。

以上が電力供給システム１００の構成である。続いて電力供給システム１００の利用形態を説明する。電力供給システム１００は、多数の世帯に導入されてその効果を発揮する。

ひとつに地域に着目する。同じ地域であれば、各世帯に供給される交流電力信号Ｐ_ＡＣは同じである。また同じ地域であれば、環境発電システム２０による発電量も同じ傾向で変動すると考えてよい。この状況において、複数の電力供給システム１００が一斉に動作することにより、環境発電システム２０の発電量の変動や負荷変動に起因する、交流電力信号Ｐ_ＡＣの電圧変動、周波数変動を低減することができる。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。

４…電力系統、６…送電線、１００…電力供給システム、１０…配電線、１２…負荷、２０…環境発電システム、２２…太陽電池、２４…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３０…双方向インバータ、３２…ドライバ、３４…コントローラ、４０…蓄電手段、４２…双方向コンバータ、４４…コントローラ、４６…ドライバ、Ｍ１…第１トランジスタ、Ｍ２…第２トランジスタ、Ｐ１…第１端子、Ｐ２…第２端子、Ｌ１…インダクタ、５０…コントローラ、５２…電圧モニター回路、５４…電圧コントローラ、５６…周波数モニター回路、５８…周波数コントローラ。

Claims

電力系統と接続される電力供給システムであって、
前記電力系統と接続されるとともに、電力を供給すべき負荷が接続される配電線と、
直流電力信号を発生する環境発電システムと、
その１次側が前記環境発電システムと接続され、その２次側が前記配電線を介して前記電力系統と接続され、第１モードにおいて、その１次側の直流電力信号を交流電力信号に変換してその２次側に発生させ、第２モードにおいて、その２次側の交流電力信号を直流電力信号に変換してその１次側に発生させる双方向インバータと、
（i）前記電力系統からの交流電力信号の周波数ｆ_ＡＣが、前記電力系統による制御可能範囲を逸脱するとき、前記双方向インバータの前記第１モードにおける出力パワーを制限するとともに、（ii）前記周波数ｆ_ＡＣの変動が大きくなると、前記負荷の出力を制限し、または完全に停止させる周波数コントローラと、
を備えることを特徴とする電力供給システム。
前記周波数コントローラは、前記双方向インバータの出力パワーの制限にかかわらず、前記周波数ｆ_ＡＣが定格周波数に収束しない場合、前記双方向インバータを停止することを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
前記周波数コントローラは、前記負荷の出力の制限または停止にかかわらずに、周波数変動が改善されない場合、前記負荷の出力制限を解除することを特徴とする請求項１または２に記載の電力供給システム。
前記交流電力信号の電圧をモニターする電圧コントローラをさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電力供給システム。
前記負荷はモータであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電力供給システム。
蓄電手段と、
前記インバータの１次側に接続され、前記蓄電手段を充放電する双方向コンバータと、
をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電力供給システム。
前記電圧コントローラは、前記負荷の状態を制御することを特徴とする請求項４に記載の電力供給システム。
前記電圧コントローラは、前記交流電力信号の電圧の変動の長さに応じて、制御対象を切りかえることを特徴とする請求項４に記載の電力供給システム。
前記電圧コントローラは、前記交流電力信号の電圧の変動速度に応じて、前記双方向インバータを制御することを特徴とする請求項４に記載の電力供給システム。
前記電圧コントローラは、前記交流電力信号の電圧の変動速度が速いほど、前記双方向インバータの出力パワーを速く制限し、前記前記交流電力信号の電圧の変動速度が遅いほど、前記双方向インバータの出力パワーを緩やかに制限することを特徴とする請求項９に記載の電力供給システム。
前記双方向コンバータは、
前記環境発電システムおよび前記双方向インバータが接続される第１端子と、
前記蓄電手段が接続される第２端子と、
１次巻線および２次巻線を有する絶縁トランスと、
前記第１端子と前記１次巻線の間に設けられた第１Ｈブリッジ回路と、
前記第２端子と前記２次巻線の間に設けられた第２Ｈブリッジ回路と、
前記第１Ｈブリッジ回路を制御する第１コントローラと、
前記第２Ｈブリッジ回路を制御する第２コントローラと、
を含むことを特徴とする請求項６に記載の電力供給システム。