JP2001197660A - 電力系統の安定化システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡素でかつ低価格、高エネルギー密度で長時
間の給電が可能なシステムを提供する。 【解決手段】 キャパシタ蓄電装置１を電力系統に接続
して電流の出入りを制御して過渡時のダンピングを改善
し系統の安定化を行う電力系統の安定化システムであっ
て、複数のキャパシタＣからなりキャパシタＣのそれぞ
れに並列に接続して充電電圧・電流を検出し制御する並
列モニタ４を有するキャパシタ蓄電装置１と、電力系統
とキャパシタ蓄電装置１との間に接続され交流と直流と
の変換を行いキャパシタ蓄電装置１の充放電を行う交直
変換装置２と、電力系統を監視して交直変換装置２及び
キャパシタ蓄電装置１を制御する系統監視制御装置３と
を備え、系統監視制御装置３により電力系統を監視して
キャパシタ蓄電装置１に対して瞬時的な大電力の充放電
の制御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、キャパシタ蓄電装
置を電力系統に接続して電流の出入りを制御して過渡時
のダンピングを改善し系統の安定化を行う電力系統の安
定化システムに関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】大容量
の電力系統の母線で地絡事故などが発生すると、短時間
で系統が遮断されるが、その際に系統の安定性が十分で
ないと発電機の脱調などを引き起し停電する恐れがあ
る。これまで電力系統の信頼性確保の一環として、外乱
に対する系統の安定性を増すための多くの研究が行われ
てきた。ここで送配電工学の膨大な歴史と進展を述べる
ことは省くが、例えば大容量のコンデンサ、あるいはイ
ンダクタ、最近の技術としてはＳＭＥＳ（Ｓuper-condu
cting Ｍagnetic Ｅnergy Ｓtorage 超伝導磁石による
エネルギー貯蔵）などを用いて、系統の安定性を改善す
る方法が知られている。

【０００３】しかし、上記用途で必要とされるエネルギ
ー蓄積量は、系統との充放電時間にして１〜１０秒程度
を必要とするため、大容量のフイルムもしくは電解コン
デンサあるいはインダクタを用いる方法では、装置が膨
大となるので現実的ではなかった。また、ＳＭＥＳは、
上記目的に最も適しているが、コスト及び保守などの面
で簡素化が求められていた。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するものであって、簡素でかつ低価格、高エネルギー
密度で長時間の給電が可能なシステムを提供するもので
ある。

【０００５】そのために本発明は、キャパシタ蓄電装置
を電力系統に接続して電流の出入りを制御して過渡時の
ダンピングを改善し系統の安定化を行う電力系統の安定
化システムであって、複数のキャパシタからなり該キャ
パシタのそれぞれに並列に接続して充電電圧・電流を検
出し制御する並列モニタを有するキャパシタ蓄電装置
と、電力系統と前記キャパシタ蓄電装置との間に接続さ
れ交流と直流との変換を行いキャパシタ蓄電装置の充放
電を行う交直変換装置と、前記電力系統を監視して前記
交直変換装置及びキャパシタ蓄電装置を制御する系統監
視制御装置とを備え、前記系統監視制御装置により前記
電力系統を監視して前記キャパシタ蓄電装置に対して瞬
時的な大電力の充放電の制御を行うことにより過渡時の
ダンピングを改善し系統の安定化を行うように構成した
ことを特徴とし、前記キャパシタ蓄電装置は、蓄電状態
に応じてキャパシタの直並列の切り換えを行う切り換え
回路を有し、前記系統監視制御装置は、前記電力系統の
事故遮断時に発電機端で前記キャパシタ蓄電装置に対し
所定のスケジュール充電を行うことにより過渡時のダン
ピングを改善し系統の安定化を行うことを特徴とするも
のである。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る電力系統の
安定化システムの実施の形態を示す図、図２は事故検出
後の充電スケジュールの例を示す図であり、１はキャパ
シタ蓄電装置、２は交直変換器、３は系統監視制御装
置、４は並列モニタ、５は発電機、６は無限大母線、Ｃ
はキャパシタを示す。

【０００７】図１において、キャパシタＣは、多数直並
列接続してキャパシタ蓄電装置１を構成する例えば大容
量、低内部抵抗の電気二重層キャパシタであり、並列モ
ニタ４は、各キャパシタＣに並列に接続して充電電流を
バイパスする回路を有し充電電圧・電流を制御するもの
である。交直変換器２は、発電機５が接続された電力系
統と複数のキャパシタＣ及び並列モニタ４を含むキャパ
シタ蓄電装置１との間に接続され交流と直流との変換を
行いキャパシタ蓄電装置１の充放電を行うものである。
系統監視制御装置３は、電力系統を監視して短絡事故や
地絡事故などを検出して系統保護のための制御を行うも
のであり、電力系統の無限大母線６で地絡事故などが発
生したときに交直変換器２及びキャパシタ蓄電装置１を
制御し、キャパシタ蓄電装置１に出入する電流を制御す
ることによって過渡時のダンピングを改善する。

【０００８】発電機５に接続された大容量の電力系統の
無限大母線６で地絡事故などが生じると、系統の監視保
護システムが動作することにより短時間でその母線が遮
断される。このとき、系統の安定性が十分でないと、発
電機５は、脱調などを引き起こし停電する恐れがある
が、本発明は、事故発生後に、例えば図１に示すような
充電スケジュールに従ってキャパシタ蓄電装置１に充電
を行うようにすることにより瞬時に大電力を補い、過渡
時のダンピングを改善するので、攪乱に対して系統を安
定化させることができる。なお、図２において、Ｔ１が
充電開始、Ｔ２〜Ｔ３が定電力又は定電流充電、Ｔ４が
充電終了を示している。

【０００９】電気二重層キャパシタからなるキャパシタ
Ｃは、例えば大容量、低内部抵抗で、耐電圧が１セル当
たり２〜３Ｖと極めて低いものが使用されるので、応用
上は直列接続にして用いるのが不可欠である。また、並
列モニタ４は、各キャパシタＣの間で負担電圧が不均一
になって、キャパシタＣの充電電圧が高いものから劣化
していくという現象を避けるために不可欠である。さら
に、並列モニタ４は、キャパシタＣの充電状態の信号を
取り出すことができるので、その信号を利用することに
より、キャパシタＣの初期化を行いキャパシタＣの充電
電圧が無制限にバラツクのを防ぐようにすることができ
る。

【００１０】系統の設計によっては、キャパシタバンク
の総容量に対して、浅い放電深度で済む場合もあり、そ
の際にはキャパシタの充放電に不可欠な電流型の特性を
交直変換器に持たせることができる。しかし、キャパシ
タの蓄電容量をいっぱいに使用する場合には、交直変換
器とキャパシタ蓄電装置との間に電流ポンプ（電流型の
スイッチングコンバータ）を直列に挿入接続し、あるい
はキャパシタを直並列に切り換えて電圧変化を軽減する
手法が必要である。勿論これらを併用してもよい。以下
に、キャパシタを直並列に切り換える例について説明す
る。

【００１１】図３は本発明に係る受電系統の安定化シス
テムに用いるキャパシタ蓄電装置の構成例を示す図であ
り、ＣＡ１〜ＣＡ３、ＣＢ１〜ＣＢ３はキャパシタ、Ｓ
Ｓ、ＳＡ１〜ＳＡ３、ＳＢ１〜ＳＢ３はスイッチを示
す。

【００１２】図３において、キャパシタＣＡ１〜ＣＡ３
とＣＢ１〜ＣＢ３は、それぞれ同数ずつ直列接続した２
組のキャパシタ群Ａ、Ｂを構成するものである。なお、
それぞれのキャパシタＣＡ１〜ＣＡ３、ＣＢ１〜ＣＢ３
は、複数個を直列あるいはそれをさらに並列に接続した
バンクであってもよい。スイッチＳＳは、２組のキャパ
シタ群Ａ、Ｂを直列接続する直列接続スイッチ手段であ
る。スイッチＳＡ１〜ＳＡ３は、一方のキャパシタ群Ａ
とスイッチＳＳとの直列接続点を他方のキャパシタ群
Ｂの直列接続他端及びそれぞれのキャパシタＣＢ１〜
ＣＢ３の直列接続点に接続する、一方のスイッチ手段群
であり、スイッチＳＢ１〜ＳＢ３は、他方のキャパシタ
群ＢとスイッチＳＳとの直列接続点を一方のキャパシ
タ群Ａの直列接続他端及びそれぞれのキャパシタの直
列接続点に接続する、他方のスイッチ手段群である。

【００１３】次に、切り換え接続を説明すると、図３
（Ａ）に示すようにスイッチＳＳのみをオンにすること
により、図３（Ｄ）に示すようにキャパシタＣＡ１〜Ｃ
Ａ３、ＣＢ１〜ＣＢ３を直列接続とし、図３（Ｂ）に示
すようにスイッチＳＳをオフにして一方のスイッチ手段
群のスイッチＳＡ３及びこれに対応する他方のスイッチ
手段群のスイッチＳＢ３をオンにすることにより、図３
（Ｅ）に示すように一方のキャパシタ群Ａの中央側接続
キャパシタＣＡ３と他方のキャパシタ群Ｂの中央側接続
キャパシタＣＢ３とを並列接続とする。同様に、図３
（Ｃ）に示すように一方のスイッチ手段群のスイッチＳ
Ａ２及びこれに対応する他方のスイッチ手段群のスイッ
チＳＢ２をオンにし、他のスイッチは全てオフにするこ
とにより、図３（Ｆ）に示すように一方のキャパシタ群
Ａの中央側接続キャパシタＣＡ３、ＣＡ２の直列回路と
他方のキャパシタ群Ｂの中央側接続キャパシタＣＢ３、
ＣＢ２の直列回路とを並列接続とする。さらに、一方の
スイッチ手段群のスイッチＳＡ１及びこれに対応する他
方のスイッチ手段群のスイッチＳＢ１をオンにし、他の
スイッチは全てオフにすることにより、図３（Ｇ）に示
すように一方のキャパシタ群ＡのキャパシタＣＡ１〜Ｃ
Ａ３の直列回路と他方のキャパシタ群ＢのキャパシタＣ
Ｂ１〜ＣＢ３の直列回路とを並列接続とする。

【００１４】上記のように一方のスイッチ手段群のいず
れか１つのスイッチＳＡ１〜ＳＡ３及びこれと反対側の
他方のスイッチ手段群のスイッチＳＢ１〜ＳＢ３又はス
イッチＳＳのいずれかを選択的に接続して、図３（Ｄ）
〜（Ｇ）のように複数のキャパシタＣＡ１〜ＣＡ３、Ｃ
Ｂ１〜ＣＢ３の接続を切り換え制御すると、電圧を調整
し充放電に伴う電圧の変動を押さえることができる。

【００１５】例えば図３（Ｄ）に示すようにキャパシタ
ＣＡ１〜ＣＡ３、ＣＢ１〜ＣＢ３を全て直列に接続して
充電を開始する場合には、充電側の端子電圧が所定値ま
で上昇すると、図３（Ｅ）に示す接続に切り換えること
により、キャパシタＣＡ３、ＣＢ３の電圧分低下させ
る。さらに充電により再び充電側の端子電圧が所定値ま
で上昇すると、図３（Ｆ）、（Ｇ）に示す接続に順次切
り換えることにより、充電側の端子電圧を所定値より上
昇しないように押さえることができる。

【００１６】また、図３（Ｇ）に示す接続から放電を開
始し負荷に給電を行う場合には、出力電圧が所定値まで
低下すると、図３（Ｆ）に示す接続に切り換えることに
より出力電圧の低下を補い、さらに出力電圧が所定値ま
で低下すると、図３（Ｅ）、（Ｄ）に示す接続に切り換
えることにより、出力電圧を所定値より低下しないよう
に押さえることができる。

【００１７】しかも、充放電の際の全電流を負担するの
は、キャパシタＣＡ１〜ＣＡ３、ＣＢ１〜ＣＢ３を全て
直列に接続するスイッチＳＳのみであり、その他のスイ
ッチＳＡ１〜ＳＡ３、ＳＢ１〜ＳＢ３は、全電流の１／
２の電流容量ですむ。さらに、いずれの段階でもキャパ
シタに直列に接続されるスイッチは１個だけとなるの
で、スイッチに半導体を用いたときに問題となるスイッ
チのオン電圧による損失も最小限にできる。

【００１８】図４は直並列切り換え回路を有するキャパ
シタ蓄電装置の他の実施の形態を示す図であり、ＣＭ、
ＣＡ１〜ＣＡｎ、ＣＢ１〜ＣＢｎはキャパシタ、ＳＡ、
ＳＢは切り換えスイッチ、ＳＳ１、ＳＳ２、ＳＳＡ１〜
ＳＳＡ３、ＳＳＢ１〜ＳＳＢ３は制御整流素子、ＳＤ
１、ＳＤ２、ＳＤＡ１〜ＳＤＡ３、ＳＤＢ１〜ＳＤＢ３
は整流素子、Ａ１は制御回路、２１は充電回路、２２は
出力制御回路、２３は負荷を示す。

【００１９】図４（Ａ）において、キャパシタＣＭは、
負荷の定格電圧の範囲で充放電される出力用の主キャパ
シタバンクであり、キャパシタＣＡ１〜ＣＡｎ、ＣＢ１
〜ＣＢｎは、負荷電圧の許容変動幅の範囲で電圧調整用
に充放電される調整用キャパシタとして、キャパシタＣ
Ｍに直列接続され、直並列接続の切り換えにより電圧の
調整を行うものである。切り換えスイッチＳＡ、ＳＢ
は、キャパシタＣＭに直列に接続したキャパシタＣＡ１
〜ＣＡｎ、ＣＢ１〜ＣＢｎを２組のキャパシタ群に分け
て直並列接続の切り換えを行うものである。

【００２０】制御回路Ａ１は、キャパシタＣＭにおける
充放電状態（端子電圧）を検出し、その充放電状態に応
じて切り換えスイッチＳＡ、ＳＢを制御してキャパシタ
ＣＡ１〜ＣＡｎ、ＣＢ１〜ＣＢｎの直並列接続の切り換
えを行う制御手段である。切り換えスイッチＳＡ、ＳＢ
は、この制御回路Ａ１によりキャパシタＣＡ１〜ＣＡ
ｎ、ＣＢ１〜ＣＢｎが全て直列接続となる実線のポジシ
ョンから一方のキャパシタ群ＡのキャパシタＣＡ１〜Ｃ
Ａｎの直列回路と他方のキャパシタ群ＢのキャパシタＣ
Ｂ１〜ＣＢｎの直列回路とが並列接続となる点線のポジ
ションまで段階的に切り換え制御される。

【００２１】充電回路２１は、電源よりキャパシタＣ
Ｍ、ＣＡ１〜ＣＡｎ、ＣＢ１〜ＣＢｎに定電流充電する
ものであり、キャパシタＣＭに直列接続されたキャパシ
タＣＡ１〜ＣＡｎ、ＣＢ１〜ＣＢｎの直並列接続の切り
換えが段階的に制御され、最終的に一方のキャパシタ群
ＡのキャパシタＣＡ１〜ＣＡｎの直列回路と他方のキャ
パシタ群ＢのキャパシタＣＢ１〜ＣＢｎの直列回路とが
並列接続され定格電圧まで充電されて充電を終了する。
出力制御回路２２は、例えば既に知られた電流ホンプの
ようにキャパシタＣＭ、ＣＡ１〜ＣＡｎ、ＣＢ１〜ＣＢ
ｎから負荷２３に供給する電流を制御、調節したり、負
荷２３から逆に電流源（充電回路）としてキャパシタＣ
Ｍ、ＣＡ１〜ＣＡｎ、ＣＢ１〜ＣＢｎを充電する、つま
り負荷２３が発電機となる回生制動の場合の切り換えを
行ったりするものである。したがって、出力制御回路２
２としては、電子スイッチや、降圧チョッパ、昇圧チョ
ッパ、その他のＤＣ／ＤＣコンバータが用いられるが、
キャパシタＣＡ１〜ＣＡｎ、ＣＢ１〜ＣＢｎの接続切り
換えの制御により、負荷２３から見て調整の必要のない
範囲に電圧が安定化される場合には省くこともでき、特
に必要不可欠な構成要素というものではない。勿論、キ
ャパシタＣＡ１〜ＣＡｎ、ＣＢ１〜ＣＢｎの接続切り換
えの制御により、電圧変動範囲が小さくなれば、これと
コンバータを組み合わせることにより、コンバータを高
効率に設計でき、電圧安定性の高い電源を実現すること
もできる。

【００２２】切り換え回路を構成するスイッチＳＡ、Ｓ
Ｂは、図４（Ｂ）に示すようにサイリスタなどの半導体
からなる単方向の制御整流素子ＳＳ１、ＳＳ２、ＳＳＡ
１〜ＳＳＡ３、ＳＳＢ１〜ＳＳＢ３とダイオードからな
る整流素子ＳＤ１、ＳＤ２、ＳＤＡ１〜ＳＤＡ３、ＳＤ
Ｂ１〜ＳＤＢ３との逆並列回路を用いることができる。
このうち、少なくとも一方のキャパシタ群Ａの直列接続
１端と他方のキャパシタ群Ｂの直列接続他端との間を接
続する回路は、制御整流素子ＳＳＡ１と整流素子ＳＤＡ
１により構成し、他方のキャパシタ群Ｂの直列接続１端
と一方のキャパシタ群Ａの直列接続他端との間を接続す
る回路は、制御整流素子ＳＳＢ１と整流素子ＳＤＢ１に
より構成する。そして、放電方向の整流素子ＳＤＡ１、
ＳＤＢ１には逆方向（充電方向）の制御整流素子ＳＳＡ
１、ＳＳＢ１を並列接続する。これ以外の回路には、充
電方向の制御整流素子ＳＳ２、ＳＳＡ３、ＳＳＢ３と逆
方向の制御整流素子ＳＳ１、ＳＳＡ２、ＳＳＢ２とを直
列接続し、それぞれに逆方向の整流素子ＳＤ２、ＳＤＡ
３、ＳＤＢ３、整流素子ＳＤ１、ＳＤＡ２、ＳＤＢ２を
並列接続する。勿論、これらの回路としては、サイリス
タ（制御整流素子）を逆並列接続した回路やトライアッ
ク（双方向制御整流素子）を接続した回路でもよい。

【００２３】上記のようにサイリスタやトライアック、
ダイオードを組み合わせて切り換え回路を構成すること
により、突入電流に強く、長時間でのオンロス、ゲート
ロスを少なくすることができる。しかも、接続の切り換
え時に主極にキャパシタの電圧が逆バイアスとして加わ
るので、ターンオフの制御が特別に必要でなくなり、ゲ
ート制御回路を簡素化することができる。例えば図４
（Ｂ）の回路において、充電時には、制御整流素子ＳＳ
２のみをオンにし他の全てをオフにした状態からスター
トする。そして、充電が進むに従ってまず制御整流素子
ＳＳＡ３、ＳＳＢ３をオンにすることにより、制御整流
素子ＳＳ２が逆バイアスでオフになる。次に制御整流素
子ＳＳＡ１、ＳＳＢ１をオンにすることにより、制御整
流素子ＳＳＡ３、ＳＳＢ３が逆バイアスでオフになる。
放電時には、制御整流素子を全てオフにした状態から整
流素子ＳＤＡ１、ＳＤＢ１が導通して放電をスタート
し、制御整流素子ＳＳＡ２、ＳＳＢ２をオンにし、次に
制御整流素子ＳＳ１をオンにすることにより、キャパシ
タＣＡ１〜ＣＡｎ、ＣＢ１〜ＣＢｎを全て直列接続する
まで切り換え制御することができる。

【００２４】図５は直並列切り換え回路を有するキャパ
シタ蓄電装置のさらに他の実施の形態を示す図であり、
コンデンサ電池を電圧の低下にしたがって並列接続から
直列接続に切り換えるものである。この蓄電装置では、
既に本発明者が提案しているものであって（特開平１１
−２１５６９５号公報参照）、例えば図５（Ａ）に示す
コンデンサ電池Ｃ１、Ｃ２の直並列切り換え回路を、図
５（Ｂ）に示すようにさらに多段に縦続接続し充放電状
態に応じ段階的に切り換え制御すると、段数に見合って
電圧の変動幅を小さくすることができる。この場合に
は、並列接続から直列接続に切り換える際、コンデンサ
電池Ｃ１、Ｃ２の電圧が不均一になっていると、コンデ
ンサ電池Ｃ１とＣ２との間で大きなクロスカーレントが
流れるので、図５（Ｃ）に示すようにこのようなクロス
カーレントを防ぐための保護回路Ａ１、Ａ２、それに対
応できるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３が必要になる。

【００２５】多数の電気二重層キャパシタ単セルを直列
に接続した場合、個々のキャパシタに着目すると、その
分担電圧は、その静電容量と漏れ電流のばらつきによっ
て時間の経過と共に不均一になっていく、そこに充電す
ると静電容量に反比例して充電が追加され、さらに漏れ
電流のばらつきによって放電する。こうしてキャパシタ
の負担電圧は、最終的に漏れ電流に比例した電圧に落ち
つく。漏れ電流を定量的に品質管理し少ないばらつき例
えば１０％未満に抑えるのは困難であり、通常は２倍以
上のばらつきが生じ、負担電圧が高いものから劣化して
いく。そこで、最悪のばらつきを考慮して各キャパシタ
が耐えられるほどの低い負担電圧で我慢しないと、キャ
パシタの劣化を招き本来の高い信頼性が得られなくな
る。並列モニタ、さらに並列モニタを使用したキャパシ
タの初期化は、上記のような負担電圧が無制限にばらつ
くのを防ぐことができ、きわめて有効である。次に、並
列モニタを使用したキャパシタ蓄電装置の初期化につい
て説明する。

【００２６】図６は初期化用と満充電検出用に別々のコ
ンパレータを有する並列モニタの構成例を示す図であ
る。図中、３１は充電器、３２、３３はコンパレータ、
３４、３５はオアゲート、Ｃはキャパシタ、Ｄはダイオ
ード、Ｒｓは抵抗、Ｔｒはトランジスタ、Ｓ１は初期化
スイッチ、Ｖful 、Ｖini は設定電圧を示す。

【００２７】図６において、並列モニタは、初期化用と
満充電検出用に別々のコンパレータ３２、３３を有す
る。初期化用のコンパレータ３２は、第１の設定電圧Ｖ
ini で充電電流をバイパスするようにキャパシタＣに並
列接続したトランジスタＴｒを動作させるものである。
満充電検出用のコンパレータ３３は、第１の設定電圧Ｖ
ini より高い初期化終了を判定する第２の設定電圧Ｖfu
l を検出する電圧検出手段として用いるものである。ト
ランジスタＴｒと抵抗Ｒは、キャパシタＣの初期化を行
う際に、キャパシタＣの端子電圧が設定電圧Ｖini 以上
になると充電電流のバイパス回路を構成し、そのバイパ
ス電流を制限する、つまり充電電流の一部をバイパスす
るものであり、その電流を設定するのが抵抗Ｒである。
初期化スイッチＳ１は、キャパシタＣの初期化動作のオ
ン／オフを行うものであり、初期化モードが選択された
ときオンにする。

【００２８】充電器３１は、直列接続された複数のキャ
パシタＣに対する充電を行うものであり、いずれかのキ
ャパシタＣから満充電電圧が検出されたことを条件に充
電を停止する。また、充電器３１は、初期化充電を行う
場合、初期化スイッチＳ１をオンにして充電を開始し、
各キャパシタの初期化用のコンパレータ３２の出力Ｂを
オア論理処理して取り出すことにより、複数のキャパシ
タのうちのいずれかで充電電流のバイパス動作が開始し
たことを判定し、満充電検出用のコンパレータ３３の出
力Ｆをオア論理処理して取り出すことにより、複数のキ
ャパシタのうちのいずれかが満充電に達したことを判定
して、初期化充電を終了する。オアゲート３４は、コン
パレータ３２のバイパス動作信号Ｂをオア論理処理する
ものであり、オアゲート３５は、コンパレータ３３の満
充電検出信号Ｆのオア論理処理を行って充電器３１に定
電流充電の停止信号とするものである。

【００２９】したがって、設定電圧Ｖful がキャパシタ
の満充電電圧に、設定電圧Ｖini が設定電圧Ｖful より
低い電圧にそれぞれ設定される。そして、初期化スイッ
チＳ１がオンのときの充電では、早く設定電圧Ｖini ま
で充電されたキャパシタより順次トランジスタＴｒと抵
抗Ｒからなるバイパス回路により充電電流の一部がバイ
パスされて充電速度を落とし、いずれかのキャパシタが
満充電になると、充電器３１により定電流による充電を
停止し、必要に応じて緩和充電を行う。

【００３０】次に、充放電時の動作及び本発明で行う初
期化について説明する。図７はキャパシタの使い方に見
る充放電のスタイルと初期化のポイントの例を示す図、
図８は初期化時の充電カーブと通常の充放電カーブの例
を示す図である。

【００３１】初期化を行うことのできる時期を充放電ト
レースの上で示したのが図７である。キャパシタに並列
に設けたダイオードを利用して初期化を行う、１つの
コンパレータにより満充電で初期化を行う、使いなが
ら充電の途中で少しずつ初期化を行う、使いながら放
電中に初期化を行う、使いながら充放電をしていない
ときに初期化を行うなど、幾つもの初期化のポイント
がある。一般化していえば、いつも満充電状態で停電を
待機するパソコン用無停電電源、８分目で電圧変動率改
善など少電力出入と停電待機に対応可能とする無停電電
源、いつも充放電サイクルにある太陽電池による常夜灯
など、用途に応じていずれか、あるいはその幾つかを実
行できるように並列モニタを制御すれば、広汎な用途、
動作条件に対応できる。

【００３２】本発明では、使用する並列モニタに図６で
示したように初期化用と満充電検出用に別々にコンパレ
ータを用い、これらの制御と電圧の設定値を変え、の
ような充放電をしていないときに初期化を行う。この場
合、充放電をしていないときとして、例えば大電流の充
放電状態にないこと、充電レベルＶｎが一定の範囲内に
入っていること、所定以上のバラツキがあることを初期
化条件として初期化信号Ｓをオンにし、同時に初期化専
用の充電を開始する。平常の充電レベル、つまり充放電
の制御中心値Ｖｎと初期化の設定電圧Ｖini ×直列接続
されたキャパシタセルの数ｎとの関係は、コンパレータ
の誤差やバラツキを見込んでＶｎの方が少し低くなるよ
うに設定する。つまり、Ｖｎの方が低目にしないと、初
期化がほとんど完了した状態で無駄に初期化電流が消費
され、あまり大幅に低くすると初期化が完了しても電圧
が完全に揃わないことになるからである。

【００３３】キャパシタのバラツキは、満充電信号Ｆが
出力されたときの充電レベルで判定する。例えば使いは
じめで初期化が済んでいない段階では、蓄電容量は１０
０％ではなく、バラツキが大きいほど蓄電容量が少ない
段階で満充電信号Ｆが出力される。したがって、その時
の充電レベルが満充電の設定電圧Ｖful ×ｎに比べてど
れほど低いかによって、初期化の不完全な程度（バラツ
キの程度）を判定することができる。この判定は、設定
電圧Ｖini の充電レベルにおいても同様に可能である。
つまり、キャパシタのいずれかが所定の充電電圧に達し
たときの全充電電圧がその所定の充電電圧のｎ倍と比較
すると、その差によりバラツキの程度を判定することが
できる。この初期化では、バラツキが大きいほど少なく
とも１個の並列モニタのバイパスが始まったことをバイ
パス動作信号Ｂで検出してから満充電信号Ｆが検出され
るまでの時間が長くなり、バイパストランジスタＴｒの
発熱が大きくなる。このようなバイパストランジスタＴ
ｒの発熱が好ましくない場合、バイパス動作信号Ｂで検
出してから一定の時間経過すると、一旦初期化をオフに
して冷却時間を設け、オンオフ（間欠動作）をさせるよ
うにしてもよいし、初期化専用の充電電流を小さくして
もよい。また、発熱の程度を判断しながら、初期化電流
を調整信号ＡＤで調整してもよい。

【００３４】上記のように充放電をしていないときに初
期化を行うようにすることにより、特に、ハイブリッド
電気自動車に使用する場合、初期化の最中にブレーキや
アクセルが踏まれて大電流の充放電が始まると、初期化
条件を解除して初期化信号Ｓをオフにすることができ
る。この場合、初期化が不完全であると、蓄電容量が１
００％活用できないが、それなりのレベルで使用できる
ので、次に初期化条件が整ったときにまた初期化を行え
ばよい。

【００３５】キャパシタが全放電あるいは電圧ゼロで初
期化された状態から一定電流で充電（定電流充電）を開
始すると、初期化モードが選択されていない状態、つま
り初期化スイッチＳ１がオフの状態では、充電電流のバ
イアス回路が動作しないので、図８の左端に示すＡ、Ｂ
のように容量の差に応じた傾斜で電圧が上昇する。そし
て、直列に接続されているキャパシタの１つ、例えば容
量の小さい方のキャパシタＣ_A がｔ１で設定電圧Ｖful
に達すると、コンパレータ３３の満充電検出信号Ｆが
「Ｈ」になるので、オアゲート３５の出力信号Ｓが
「Ｈ」になって、充電器３１は、定電流充電を停止させ
る。この状態では、キャパシタＡの端子電圧がキャパシ
タ内部の自己充電や自己放電などによって設定電圧Ｖfu
l を割り込むと、信号Ｆが「Ｌ」になり再度充電が開始
されるので、ｔ１以降は一定電圧に維持される緩和充電
の状態が続く。

【００３６】次に、時間ｔ２で放電してキャパシタに蓄
積した電力を利用し、時間ｔ３で放電を停止したとき、
初期化の条件を満たしていることにより初期化充電を行
う場合には、初期化スイッチＳ１をオンにして充電を開
始する。その後、先に説明したように例えばいずれかの
キャパシタの端子電圧が設定電圧Ｖini に達したｔ４か
ら一定時間（ｔ５−ｔ４＝ｔｄ）を初期化ペリオドとし
て初期化充電を実行し、時間ｔ５で初期化終了として初
期化スイッチＳ１をオンにする。その後さらに、いずれ
かのキャパシタの端子電圧が設定電圧Ｖful に達する
（満充電になる）まで通常の充電を実行すると時間ｔ６
で充電が最終的に終了するが、初期化終了の時間ｔ５で
充電を終了させてもよいし、初期化充電を中断して電力
を利用するために放電した場合には、その放電を停止し
た後に初期化充電を再実行させるようにしてもよいこと
は先にも説明したとおりである。

【００３７】初期化ペリオドでは、バイパス回路がオン
になると、それらに流れる電流だけキャパシタの端子電
圧の上昇が遅くなる。トランジスタＴｒに直列に挿入接
続した抵抗Ｒがゼロであれば、端子電圧は設定電圧Ｖin
i より上昇しないが、ここでは充電電流を、例えば半分
バイパスする程度に抵抗Ｒの値を選定し、電圧の上昇す
るスピードを半分にしておくことにより、端子電圧はな
お上昇を続ける。

【００３８】このようにｔ４で設定電圧Ｖini に達した
キャパシタＣ_A と、遅れてｔ５で設定電圧Ｖini に達す
るキャパシタＣ_B では、ｔ１とｔ６における電圧を比較
すると明らかなようにそれまで低かったキャパシタＣ_B
の満充電時（充電停止時）の端子電圧が増大してキャパ
シタＣ_A の端子電圧に近づくことになる。

【００３９】次に、具体例により初期化制御を説明す
る。図９は初期化制御の例を説明するための図、図１０
は初期化処理の例を説明するための図、図１１はバラツ
キの判定処理の例を説明するための図である。

【００４０】本発明の初期化制御では、例えば図９に示
すようにまず、充放電中か否か（ステップＳ１１）、充
電レベルが設定範囲内であるか否か（ステップＳ１
２）、各キャパシタ間のバラツキが大きいか否か（ステ
ップＳ１３）を判定し、充放電中でなく、充電レベルが
設定範囲内であり、かつ各キャパシタ間のバラツキが大
きい場合に初期化処理を実行する（ステップＳ１４）。

【００４１】そして、初期化処理では、例えば図１０に
示すように初期化スイッチＳ１をオンにして初期化回路
をオンにし（ステップＳ２１）、初期化充電を開始する
（ステップＳ２２）。その後、満充電のセルが検出され
たか否かを判定し（ステップＳ２３）、満充電のセルが
検出されない場合には、並列モニタのバイパス回路が動
作したセルを検出してから一定時間経過したか否かを判
定し（ステップＳ２４）、一定時間経過していない場合
には負荷に放電する給電指令が出されたか否かを判定す
る（ステップＳ２５）。その結果、満充電のセルが検出
されず、一定時間経過せず、かつ給電指令も出されてい
ない場合にはステップＳ２３に戻って同様の処理を繰り
返し、満充電のセルが検出された場合や、一定時間経過
した場合、給電指令が出された場合には、初期化充電を
停止し（ステップＳ２６）、初期化スイッチＳ１をオフ
にして初期化回路をオフにする（ステップＳ２７）。

【００４２】また、バラツキの判定処理では、例えば図
１１に示すようにまず、充電を実行したことを検出する
と（ステップＳ３１）、満充電のセルを検出した時の充
電電圧Ｖｎを読み込み（ステップＳ３２）、満充電を検
出する設定電圧Ｖful ×セルの数ｎと充電電圧Ｖｎとの
差ΔＶの計算を実行する（ステップＳ３３）。しかる
後、ΔＶが一定値Ｋより大きいか否かを判定し（ステッ
プＳ３４）、ΔＶが一定値Ｋより大きい場合には、バラ
ツキ大を示すフラグＦを「１」に設定し、ΔＶが一定値
Ｋより大きくない場合には、バラツキ大を示すフラグＦ
を「０」に設定する（ステップＳ３６）。すなわち、一
定値Ｋは、バラツキ大か否かを判定する基準値であり、
全てのセルが設定電圧Ｖful に充電され全くバラツキが
ない場合には、ΔＶ＝０となる。

【００４３】図１２は本発明に係る受電系統の安定化シ
ステムによる充電制御を行わない場合の発電機応答波形
を示す図、図１３は本発明に係る受電系統の安定化シス
テムによる充電制御を行った場合の応答波形を示す図、
図１４はキャパシタ蓄電装置への充電電力のプロファイ
ルを示す図、図１５は充電電力を図１３より大きく設定
して充電制御を行った場合の応答波形を示す図である。

【００４４】次に、図１に示すＡ点にて３相地絡事故を
想定してシミュレーション解析を行った例について説明
する。ここでは、事故開始時間をｔ＝２．００秒とし、
事故回線が０．０７秒後に遮断されるものとした。ま
た、充電開始時間を２．１０秒に設定し、１６．００秒
にて充電を終了し系統の安定状態へ復帰させるものとし
た。発電機の出力は、１．０ｐｕ（定格出力）である。

【００４５】まず、本発明に係る受電系統の安定化シス
テムによる充電制御を行わない場合の発電機応答波形を
示したのが図１２であり、（Ａ）は発電機出力、（Ｂ）
は端子電圧、（Ｃ）は位相角、（Ｄ）は速度偏差、
（Ｅ）はＡＶＲ制御信号、（Ｆ）は励磁電圧をそれぞれ
示している。以下、図１３及び図１５においても同様で
あるが、この発電機応答波形から明らかなように発電機
は３相地絡事故の発生により不安定となり第１波脱調に
至っている。そこで、本発明に係る受電系統の安定化シ
ステムによる充電制御を行うと、図１３に示すように動
揺のダンピングが改善され、系統が安定化されることが
判る。このときの充電電力のプロファイルを示したのが
図１４である。さらに、キャパシタ蓄電装置への充電電
力を大きく設定すると、図１５に示すようになり、図１
３と比較すると明らかなように安定性がより一層良好に
なることが判る。

【００４６】なお、本発明は、上記実施の形態に限定さ
れるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上
記実施の形態では、母線の地絡事故時に制御を行うシス
テムとして説明したが、事故時以外の系統運用時の過渡
電力の変動に応じて充放電の制御を行い系統の安定化を
行うようにしてもよいし、常時は発電機励磁システムの
バックアップ電源としての用途を持たせることも可能で
ある。また、直並列切り換え回路を有するキャパシタ蓄
電装置の例を示して説明したが、直並列切り換え回路を
有するものでなくてもよいし、他の形態の直並列切り換
え回路を有するものであってもよいことはいうまでもな
い。

【００４７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、キャパシタ蓄電装置を電力系統に接続して電
流の出入りを制御して過渡時のダンピングを改善し系統
の安定化を行う電力系統の安定化システムであって、複
数のキャパシタからなり該キャパシタのそれぞれに並列
に接続して充電電圧・電流を検出し制御する並列モニタ
を有するキャパシタ蓄電装置と、電力系統とキャパシタ
蓄電装置との間に接続され交流と直流との変換を行いキ
ャパシタ蓄電装置の充放電を行う交直変換装置と、電力
系統を監視して交直変換装置及びキャパシタ蓄電装置を
制御する系統監視制御装置とを備え、系統監視制御装置
により電力系統を監視してキャパシタ蓄電装置に対して
瞬時的な大電力の充放電の制御を行うことにより過渡時
のダンピングを改善し系統の安定化を行うように構成し
たので、ＳＭＥＳなどよりはるかに簡素でかつ低価格で
システムの実用化が可能になる。しかも、キャパシタ蓄
電装置は、蓄電状態に応じてキャパシタの直並列の切り
換えを行う切り換え回路を有し、系統監視制御装置は、
電力系統の事故遮断時に発電機端でキャパシタ蓄電装置
に対し所定のスケジュール充電を行うことにより過渡時
のダンピングを改善し系統の安定化を行うことにより、
電解コンデンサよりも長時間の給電が高エネルギー密度
で可能になり、ＳＭＥＳや電解コンデンサよりも格段に
有利である。さらに、系統の容量に対し、その容量をカ
バーする無停電電源などに比して格段に小さな蓄電容量
で系統の安定性を大幅に改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る電力系統の安定化システムの実
施の形態を示す図である。

【図２】 事故検出後の充電スケジュールの例を示す図
である。

【図３】 本発明に係る受電系統の安定化システムに用
いるキャパシタ蓄電装置の構成例を示す図である。

【図４】 直並列切り換え回路を有するキャパシタ蓄電
装置の他の実施の形態を示す図である。

【図５】 直並列切り換え回路を有するキャパシタ蓄電
装置のさらに他の実施の形態を示す図である。

【図６】 初期化用と満充電検出用に別々のコンパレー
タを有する並列モニタの構成例を示す図である。

【図７】 キャパシタの使い方に見る充放電のスタイル
と初期化のポイントの例を示す図である。

【図８】 初期化時の充電カーブと通常の充放電カーブ
の例を示す図である。

【図９】 初期化制御の例を説明するための図である。

【図１０】 初期化処理の例を説明するための図であ
る。

【図１１】 バラツキの判定処理の例を説明するための
図である。

【図１２】 本発明に係る受電系統の安定化システムに
よる充電制御を行わない場合の発電機応答波形を示す図
である。

【図１３】 本発明に係る受電系統の安定化システムに
よる充電制御を行った場合の応答波形を示す図である。

【図１４】 キャパシタ蓄電装置への充電電力のプロフ
ァイルを示す図である。

【図１５】 充電電力を図１１より大きく設定して充電
制御を行った場合の応答波形を示す図である。

【符号の説明】

１…キャパシタ蓄電装置、２…交直変換器、３…系統監
視制御装置、４…並列モニタ、５…発電機、６…無限大
母線、Ｃ…キャパシタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 檜山 隆 熊本県熊本市室園町12−67−１−101 (72)発明者 岡村 廸夫 神奈川県横浜市南区南太田２丁目19番６号 (72)発明者 山岸 政章 神奈川県横浜市金沢区福浦１丁目１番１号 株式会社パワーシステム内 Ｆターム(参考） 5G003 AA01 BA02 CA01 CA11 CC07 DA04 GB06 GC05 5G065 DA08 HA16 JA01 LA01 LA02 MA01 MA02 NA01 5G066 AD14 JA05 JB04

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 キャパシタ蓄電装置を電力系統に接続し
   て電流の出入りを制御して過渡時のダンピングを改善し
   系統の安定化を行う電力系統の安定化システムであっ
   て、複数のキャパシタからなり該キャパシタのそれぞれ
   に並列に接続して充電電圧・電流を検出し制御する並列
   モニタを有するキャパシタ蓄電装置と、電力系統と前記
   キャパシタ蓄電装置との間に接続され交流と直流との変
   換を行いキャパシタ蓄電装置の充放電を行う交直変換装
   置と、前記電力系統を監視して前記交直変換装置及びキ
   ャパシタ蓄電装置を制御する系統監視制御装置とを備
   え、前記系統監視制御装置により前記電力系統を監視し
   て前記キャパシタ蓄電装置に対して瞬時的な大電力の充
   放電の制御を行うことにより過渡時のダンピングを改善
   し系統の安定化を行うように構成したことを特徴とする
   電力系統の安定化システム。
2. 【請求項２】 前記キャパシタ蓄電装置は、蓄電状態に
   応じてキャパシタの直並列の切り換えを行う切り換え回
   路を有することを特徴とする請求項１記載の電力系統の
   安定化システム。
3. 【請求項３】 前記系統監視制御装置は、前記電力系統
   の事故遮断時に発電機端で前記キャパシタ蓄電装置に対
   し所定のスケジュール充電を行うことにより過渡時のダ
   ンピングを改善し系統の安定化を行うことを特徴とする
   請求項１記載の電力系統の安定化システム。