JP2001204139A - 給電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 蓄電池の電力を有効利用することが可能な給
電システムを提供する。 【解決手段】 電力監視回路１０が、負荷電力と基準負
荷電力Ｗ１とを比較して、負荷電力が基準負荷電力Ｗ１
より小さいときには、インバータ２Ａを停止し、負荷電
力が基準負荷電力Ｗ１より大きいときには、インバータ
２Ａを運転する。そして、インバータ２Ａは、運転時に
は、必ず、予め設定した最低基準電力以上の電力を出力
するようにした。これにより、インバータ２Ａは、常に
高い効率で電力変換を行うことができ、蓄電池１に貯え
られた電力を有効に利用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、蓄電池から電力を
受けたインバータと電力系統とが協働して負荷に給電す
る給電システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】昼夜間の電力需要を平準化するためのシ
ステムとして、従来より揚水発電が知られているが、最
近ではこれに代えて、夜間電力を蓄電池に蓄え、これを
昼間に利用する給電システムの実用化が検討されてい
る。その理由としては、揚水発電は発電所にしか設置で
きないが、蓄電池を利用したシステムは、小型化が可能
であるので、工場や一般家庭にも設置可能となり、ひい
ては電力系統（例えば、ＡＣ１００Ｖの商用電源）が停
電したときの無停電化が可能になるからである。

【０００３】図７には、蓄電池を利用した給電システム
を一般家庭に設置した場合の一例が示されており、この
システムは、蓄電池１に連なる双方向インバータ２（以
下、単に、「インバータ２」という）の出力を、電力系
統４（例えば、ＡＣ１００Ｖの商用電源）と負荷３（例
えば、テレビ、エアコン、冷蔵庫等を合わせた負荷群）
との共通接続点に接続してなる。そして、夜間には、イ
ンバータ２を順変換運転（交流から直流への変換）し
て、電力系統４からの受電電力を蓄電池１に蓄える一
方、昼間には、インバータ２を逆変換運転して蓄電池１
の出力を交流電力に変換し、電力系統４と協働して負荷
３に給電する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、インバータ
は、出力する電力により効率が異なり、出力があまり小
さいと効率が低下する。具体的には、上記したインバー
タ２は、例えば、定格出力が２ｋＷとなっており、この
定格出力の５０〜１００％の電力（１〜２ｋＷ）を出力
するときの電力変換効率は９３％であるが、例えば、定
格出力の１０％出力の電力（０．２ｋＷ）を出力すると
きには、電力変換効率が８０％に低下する。

【０００５】ところが、上記した従来の給電システムで
は、負荷電力の大きさに関係なく、昼間になれば、イン
バータ２にて負荷電力の一部を分担し、蓄電池１の残容
量が一定レベルまで減少したときに、はじめてインバー
タ２を停止する構成になっていたので、負荷電力の大き
さによっては、低出力でインバータを長時間、運転し続
け、蓄電池１に蓄えた電力を、低い電力変換効率で放電
する事態が生じ得た。

【０００６】より具体的には、例えば図２のように、時
間帯によって負荷電力が変化する場合について、従来の
給電システムの総合効率を求めると以下のようである。
なお、ここでは、負荷電力のうち８０％がインバータ２
によって分担され、残りの２０％が電力系統４によって
分担される設定とする。

【０００７】すると、インバータ２が出力した電力量は ０．２５ｋＷ×８０％×６ｈ＋１．２５ｋＷ×８０％×
１ｈ＋０．２５ｋＷ×８０％×５ｈ＋２．５ ｋＷ×８
０％×２ｈ＋０．２５ｋＷ×８０％×２ｈ＝７．６ｋＷ
ｈ

【０００８】上記電力を出力するために、インバータ２
が蓄電池１から取り込んだ電力量は、 （０．２５ｋＷ×８０％×６ｈ）／０．８＋（１．２５
ｋＷ×８０％×１ｈ）／０．９３＋（０．２５ｋＷ×８
０％×５ｈ）／０．８＋（２．５ ｋＷ×８０％×２
ｈ）／０．９３＋（０．２５ｋＷ×８０％×２ｈ）／
０．８＝９．４ｋＷｈ

【０００９】従って、図２の負荷パターンにおける総合
効率は ７．６／９．３７×１００＝８１．１％ という低い値となり、蓄電池１の電力の有効利用が図れ
なかった。

【００１０】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、蓄電池の電力を有効利用することが可能な給電シス
テムの提供を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明に係る給電システムは、蓄電池から
電力を受けたインバータの出力を、電力系統とそれに連
なる負荷との共通接続点に接続し、インバータと電力系
統とが協働して負荷に給電する給電システムにおいて、
負荷電力を検出する負荷電力検出手段を備え、負荷電力
検出手段にて検出した負荷電力が、予め設定した第１の
基準負荷電力を上回ったときには、インバータに、予め
設定した最低基準電力以上の電力を出力させる一方、予
め設定した第２の基準負荷電力を下回ったときには、イ
ンバータの出力を停止するところに特徴を有する。

【００１２】請求項２の発明は、請求項１記載の給電シ
ステムにおいて、負荷電力検出手段は、電力系統から受
けた受電電力を計測する第１計測手段と、インバータが
出力した電力を計測する第２計測手段とを備え、第１及
び第２の計測手段の計測結果に基づいて、負荷電力を検
出するところに特徴を有する。

【００１３】

【発明の作用及び効果】＜請求項１の発明＞請求項１の
構成では、負荷電力が第２の基準負荷電力より小さいと
きには、インバータの出力は停止し、負荷電力が第１の
基準負荷電力より大きいときには、インバータは電力を
出力する。ここで、インバータは、運転されているとき
には、必ず、予め設定した最低基準電力以上の電力を出
力するから、インバータは、常に高い効率で電力変換を
行うことができ、蓄電池の電力を有効に利用することが
できる。

【００１４】なお、予め設定した最低基準電力以上の電
力を出力させる構成としては、例えば、電力系統から供
給される電力とインバータから供給される電力の比率を
一定の値に設定し、この比率でインバータからの出力を
行った場合に最低基準電力が出力されるようになる電力
を基準負荷電力として設定したもの（下記の第１及び第
２実施形態参照）、電力系統から供給される最低電力を
予め一定の値に設定しておき、この値に最低基準電力の
値を加えた値を基準負荷電力として設定したもの（第３
実施形態参照）、最低基準電力と基準負荷電力とを別々
に設定し、両方が満たされるように制御するもの等があ
る。また、第１と第２の基準負荷電力は、同じ値にして
も良いが、第２の基準負荷電力をより小さくすることに
よって、出力開始を安定して行うことができるので好ま
しい。

【００１５】＜請求項２の発明＞請求項２の構成では、
負荷電力を直接計測しなくても、第１計測手段にて計測
した電力系統と、第２計測手段にて計測したインバータ
の出力電力とから、負荷電力を検出することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】＜第１実施形態＞以下、図１及び
図２を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る給電シ
ステムについて説明する。このシステムは、蓄電池１に
連なる双方向インバータ７（以下、単に、「インバータ
７」という）の出力を、電力系統４と負荷３との共通接
続点に接続してなり、夜間には、インバータ７を順変換
運転して、電力系統４からの受電電力を蓄電池１に蓄え
る一方、昼間には、インバータ７を逆変換運転して蓄電
池１の出力を交流電力に変換し、電力系統４と協働して
負荷３に給電する。ここまでは、従来のものと同一であ
る。

【００１７】さて、本実施形態の給電システムは、負荷
電力を計測する負荷電力計測器９を備えており、この負
荷電力計測器９は、例えば電圧計と電流計とを内蔵し
て、それらの計測値の積を電力として算出し、これを例
えば電圧信号にして出力している。

【００１８】また、インバータ７には、その出力電力を
制御する電力監視回路１０が設けられている。この電力
監視回路１０には、本発明に係る基準負荷電力Ｗ１に関
するデータが、例えば分圧回路（図示せず）から出力さ
れる電圧値として設定されている。

【００１９】ここで、基準負荷電力Ｗ１は、後述するイ
ンバータ駆動回路８に予め設定されたインバータ分担率
Ｒ％と、インバータ７の定格出力（例えば、２ｋＷ）と
の関係において、例えば次の関係になるように設定され
ている。

【００２０】 インバータ７の定格出力×５０％＝基準負荷電力Ｗ１×Ｒ％ ・・・

【００２１】なお、本実施形態のインバータ７は、上記
した従来のものと同様に、定格出力の５０〜１００％の
電力（１〜２ｋＷ）を出力するときの電力変換効率は９
３％であるが、定格出力の１０％の電力（０．２ｋＷ）
を出力するときには、電力変換効率が８０％に低下す
る。また、本実施形態の場合、インバータ７の定格出力
×５０％が、本発明に係る最低基準電力に相当し、本実
施形態では、基準負荷電力Ｗ１とインバータ分担率Ｒ％
とが予め定められることによって、間接的に最低基準電
力が予め設定された構成になっている。また、第１と第
２の基準負荷電力は共に同じ値の基準負荷電力Ｗ１であ
る。

【００２２】さて、電力監視回路１０には、前記負荷電
力計測器９の検出信号と、前記基準負荷電力Ｗ１に係る
分圧回路の出力信号とを取り込んで比較する比較回路１
１が備えられている。そして、電力監視回路１０は、負
荷電力が基準負荷電力Ｗ１と同じ、又は、それを上回っ
たときには、インバータ駆動回路８に起動命令を送る一
方、負荷電力が基準負荷電力Ｗ１を下回ったときには、
インバータ駆動回路８に停止命令を送る。そして、これ
によりインバータ７からの電力の出力と出力の停止が行
われる。

【００２３】インバータ駆動回路８は、電力監視回路１
０から起動命令とともに、負荷電力に関するデータを受
け、その負荷電力に予め設定したインバータ分担率Ｒ％
を掛けて求めた電力を、インバータ７に出力させる。

【００２４】次に、上記構成からなる本実施形態の動作
を説明する。本実施形態の給電システムは、夜間には充
電モードとなり、従来のものと同様に、電力系統４から
の受電電力でもって蓄電池１を充電する。給電システム
は、昼間には、放電モードに切り替わり、負荷電力計測
器９による負荷電力の検出結果が、電力監視回路１０に
取り込まれる。電力監視回路１０は、常に、負荷電力と
基準負荷電力Ｗ１とを比較回路１１にて比較して監視し
ており、負荷電力が基準負荷電力Ｗ１を下回ったときに
は、インバータ駆動回路８に停止命令を与えてインバー
タ７を停止させる。

【００２５】一方、負荷電力が基準負荷電力Ｗ１と同じ
又はそれを上回ると、電力監視回路１０は、インバータ
駆動回路８に、起動命令と共に負荷電力に関するデータ
を与える。すると、インバータ駆動回路８は、負荷電力
にインバータ分担率Ｒ％を掛けて求めた電力をインバー
タ７に出力させる。

【００２６】ここで、インバータ駆動回路８が起動命令
と共に受け取る負荷電力に関するデータは、必ず、負荷
電力が基準負荷電力Ｗ１以上のときのデータであるか
ら、インバータ７は、必ず、基準負荷電力Ｗ１×Ｒ％以
上の電力を出力することになる。そして、この基準負荷
電力Ｗ１×Ｒ％の電力は、インバータ７の定格出力の５
０％に設定してあるから（上記した式参照）、つま
り、インバータ７は、動作するときには、常に、定格出
力の５０％以上の電力を出力することになり、よって、
常に、高い電力変換効率（＝９３％以上）で、蓄電池１
の電力が交流変換されて負荷３に与えられる。

【００２７】また、本実施形態では、インバータ７は、
負荷電力の全部ではなく、必ず、負荷電力に一定の比率
（インバータ分担率Ｒ％）をかけた負荷電力の一部に相
当する電力を供給するように制御され、全部の負荷電力
からインバータ７の出力電力を差し引いた残りの電力
は、電力系統４から供給される。つまり、インバータ７
が負荷に電力を供給しているときには、電力系統４も必
ず負荷に電力を供給しており、インバータ７から電力系
統４に電力が逆潮流する事態を確実に防ぐことができ
る。

【００２８】さて、本実施形態の給電システムと、従来
の給電システムとを具体的に比較して説明するために、
本実施形態の給電システムを用いて、図２に示した負荷
パターンに対応したときの動作を以下に説明する。ここ
では、上記したインバータ分担率Ｒ％を８０％とし、基
準負荷電力Ｗ１を１．２５ＫＷとする。

【００２９】すると、図２において時刻６〜１２，１３
〜１８，２０〜２２のときには、 負荷電力（＝０．２５ｋＷ）＜基準負荷電力Ｗ１（＝
１．２５ＫＷ） であるからインバータ７は停止し、時刻１２〜１３，１
８〜２０のときには、 負荷電力（＝１．２５ｋＷ）≧基準負荷電力Ｗ１ 負荷電力（＝２．５ ｋＷ）≧基準負荷電力Ｗ１ であるから、インバータ７は動作する。従って、図２の
負荷パターンでは、インバータ７が出力する電力量は １．２５ｋＷ×８０％×１ｈ＋２．５ｋＷ ×８０％×
２ｈ＝５．０ｋＷｈ

【００３０】一方、インバータ７が蓄電池１から受ける
電力量は、 （１．２５ｋＷ×８０％×１ｈ）／０．９３＋（２．５
ｋＷ ×８０％×２ｈ）／０．９３＝５．３８ｋＷｈ

【００３１】従って、総合効率は ５．０／５．３８×１００＝９３％ となり、上記した従来のものの総合効率８１．１％よ
り、高い電力変換効率（＝９３％）で、蓄電池１に貯え
られた電力を利用することができる。

【００３２】＜第２実施形態＞本実施形態の給電システ
ムは、図３に示されており、電力系統４からの受電電力
を計測する第１計測器２１と、インバータ７が出力した
電力を計測する第２計測器２２とを備える。これら両計
測器２１，２２は、共に例えば電圧計と電流計とを内蔵
して、それらの計測値の積を電力として算出し、これを
例えば電圧信号にして、電力監視回路２０に与える。そ
して、電力監視回路２０に備えた加算回路２３にて、第
１及び第２の計測器２１，２２の両計測結果を足し合わ
せて負荷電力を求めている。なお、上記構成以外は、前
記第１実施形態と同様である。

【００３３】このような構成としても、第１実施形態の
給電システムと同様の作用効果を奏する。しかも、本実
施形態の給電システムでは、直に負荷電力を計測しなく
ても、電力系統４から受けた受電電力と、インバータ７
が出力した電力とから負荷電力を検出することができ
る。これにより、例えば、受電電力及びインバータ７の
出力電力を計測し、これらの電力を監視する構成とした
ときに、別途、負荷電力の計測手段を設けずに済む。

【００３４】＜第３実施形態＞本実施形態の給電システ
ムは、図４〜図６に示されており、電力監視回路３０の
構成が前記第１実施形態と異なる。以下、第１実施形態
と同一の構成に関しては、同一符号を付して重複説明を
省略し、異なる構成に関してのみ説明する。本実施形態
の電力監視回路３０には、例えばＣＰＵ１５が備えら
れ、このＣＰＵ１５からインバータ駆動回路８に指令値
を渡して、インバータ７に所定の電力を出力させる。そ
して、電力系統４から負荷３への出力ラインの途中に
は、受電電力計測器６が接続されており、この受電電力
計測器６は、例えば電圧計と電流計とを備え、それらの
計測値の積を電力として算出し、これをデジタルデータ
にして、前記ＣＰＵ１５に与える。

【００３５】また、前記第１実施形態では、電力系統４
から供給される電力とインバータ７から供給される電力
の比率を一定の値に設定していたが、本実施形態では、
電力系統４から供給される最低電力を、基準受電電力Ｗ
３として予め一定の値（例えば、１００Ｗ）に設定して
ある。そして、インバータ７に出力させる基準電力を
（例えば、４００Ｗに）決めて、この基準電力と上記基
準受電電力Ｗ３とを加えた値（５００Ｗ＝１００Ｗ＋４
００Ｗ）を、インバータ起動受電電力Ｗ１（本発明の第
１の基準負荷電力に相当する）として設定してある。ま
た、インバータ７を停止するか否かを判別するための基
準値として、インバータ停止電力Ｗ２（Ｗ２＋Ｗ３が第
２の基準負荷電力に相当する）が、例えば、（Ｗ２＋Ｗ
３）がインバータ起動受電電力Ｗ１より小さな値（４０
０Ｗ）となるように設定されている。この場合、本発明
の最低基準電力は、３００Ｗである。

【００３６】上述した各基準値（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３）
は、下記にまとめた具体的な電力値として、前記ＣＰＵ
１５に連なるＲＯＭ１５Ａに記憶されている。 ・インバータ起動受電電力Ｗ１＝５００［Ｗ］ ・インバータ停止電力Ｗ２ ＝３００［Ｗ］ ・基準受電電力Ｗ３ ＝１００［Ｗ］

【００３７】そして、ＣＰＵ１５が、図５に示したフロ
ーに従い、上記基準値（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３）と、実測し
た受電電力Ｐ１及びインバータ出力電力Ｐ２とを比較
し、以下のようにインバータ７から出力される電力を制
御する。

【００３８】即ち、本実施形態の給電システムは、充電
モードから放電モードに切り替わると、受電電力計測器
６にて電力系統４からの受電電力Ｐ１が検出され、この
検出結果としての受電電力Ｐ１が電力監視回路３０に備
えたＣＰＵ１５に取り込まれる。なお、充電モードから
放電モードに切り替わった時点では、インバータ７はま
だ起動していない。

【００３９】ＣＰＵ１５は、受電電力Ｐ１を取り込む
と、図５のＳＴＥＰ１に示したように、受電電力Ｐ１が
インバータ起動受電電力Ｗ１（＝５００Ｗ）より大きい
か否かが判別される。この時点でインバータ７は起動し
ていないから、受電電力Ｐ１が負荷電力そのものの大き
さとなり、結果として、負荷電力がインバータ起動受電
電力Ｗ１（＝５００Ｗ）以上か否かが判別される。ここ
で、負荷電力が小さい場合は、受電電力Ｐ１がインバー
タ起動受電電力Ｗ１より小さくなり、ＳＴＥＰ２に進
み、インバータ７は停止されたままとなる（図６のグラ
フにおいて、負荷＝０〜５００Ｗ参照）。

【００４０】一方、負荷電力が大きい場合は、受電電力
Ｐ１がインバータ起動受電電力Ｗ１より大きくなり、Ｓ
ＴＥＰ３に進み、インバータ７が起動される。インバー
タ７が起動すると、インバータ７が出力したインバータ
出力電力Ｐ２が検出されて、これがＣＰＵ１５に取り込
まれる。すると、ＣＰＵ１５は、図５のＳＴＥＰ４にお
いて、インバータ出力電力Ｐ２が、インバータ停止電力
Ｗ２（＝３００Ｗ）より大きいか否かを判別し、インバ
ータ７の出力電力が、インバータ停止電力Ｗ２より大き
いときには、ＳＴＥＰ６に進んで、受電電力Ｐ１が基準
受電電力Ｗ３（＝１００Ｗ）より大きいか否かを判別す
る。そして、受電電力Ｐ１が基準受電電力Ｗ３（＝１０
０Ｗ）より大きいときには、インバータ７の出力電力を
上げ（ＳＴＥＰ７）、小さいときにはインバータ７の出
力電力を下げて（ＳＴＥＰ８）、受電電力Ｐ１が基準受
電電力Ｗ３（＝１００Ｗ）に一致するように制御する。
尚、インバータ出力がインバータの最大出力に達する
と、インバータ出力は最大出力で一定となり、受電電力
が増加する。

【００４１】また、ＣＰＵ１５は、ＳＴＥＰ４におい
て、インバータ７の出力電力が、インバータ停止電力Ｗ
２より小さいと判断した場合には、ＳＴＥＰ５に進ん
で、インバータ７が停止される（ＳＴＥＰ５）。ここ
で、Ｗ２＋Ｗ３（＝４００Ｗ）は、インバータ起動受電
電力Ｗ１（＝５００Ｗ）より小さな値に設定されている
から、インバータ７の起動と停止が安定して行われる。

【００４２】以上をまとめると、本実施形態の給電シス
テムは、図６に示すように、負荷電力がインバータ起動
受電電力Ｗ１（＝５００Ｗ）以上の場合にインバータ７
を起動し、それからインバータ７からの出力が最大にな
るまでは、電力系統４からの受電電力が一定値（＝１０
０Ｗ）になるように制御している。このような構成とし
ても、インバータ７は、最低基準電力（３００Ｗ）以上
を出力するように運転されて、高い電力変換効率で、蓄
電池に貯えられた電力を利用することができる。

【００４３】＜他の実施形態＞本発明は、前記実施形態
に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するよ
うな実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、
下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実
施することができる。

【００４４】（１）前記第１〜第３実施形態の給電シス
テムは、双方向インバータ７によって、夜間は蓄電池１
を充電する構成であったが、蓄電池への充電機能を備え
ない給電システムに本発明を適用してもよい。

【００４５】（２）前記第１〜第３実施形態の給電シス
テムでは、運転時には、負荷電力の大きさに応じて、イ
ンバータ７の出力電力が推移する構成であったが、イン
バータが出力する電力を、常に同じ大きさにしてもよ
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の給電システムを示すブロック図

【図２】負荷電力のパターンを示すグラフ

【図３】第２実施形態の給電システムを示すブロック図

【図４】第３実施形態の給電システムを示すブロック図

【図５】その動作を示すフローチャート

【図６】負荷とインバータの出力電力等との関係を示す
グラフ

【図７】従来の給電システムを示すブロック図

【符号の説明】

１…蓄電池 ３…負荷 ４…電力系統 ６…受電電力計測器（負荷電力検出手段） ７…インバータ ９…負荷電力計測器（負荷電力検出手段） １０，２０，３０…電力監視回路 ２１…第１計測器（負荷電力検出手段、第１計測手段） ２２…第２計測器（負荷電力検出手段、第２計測手段） １５…ＣＰＵ Ｐ２…受電電力

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蓄電池から電力を受けたインバータの出
   力を、電力系統とそれに連なる負荷との共通接続点に接
   続し、前記インバータと前記電力系統とが協働して前記
   負荷に給電する給電システムにおいて、 負荷電力を検出する負荷電力検出手段を備え、 前記負荷電力検出手段にて検出した負荷電力が、予め設
   定した第１の基準負荷電力を上回ったときには、前記イ
   ンバータに、予め設定した最低基準電力以上の電力を出
   力させる一方、予め設定した第２の基準負荷電力を下回
   ったときには、前記インバータの出力を停止することを
   特徴とする給電システム。
2. 【請求項２】 前記負荷電力検出手段は、前記電力系統
   から受けた受電電力を計測する第１計測手段と、前記イ
   ンバータが出力した電力を計測する第２計測手段とを備
   え、前記第１及び第２の計測手段の計測結果に基づい
   て、前記負荷電力を検出することを特徴とする請求項１
   記載の給電システム。