JP2001211549A - 瞬時受電電力制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 受電電力の電力脈動を制限し、電力の品質の
低下を阻止するとともに設備全体の設置面積及び設置費
用を削減する。 【解決手段】 キャパシタ蓄電装置６を電力受電系統に
接続し受電電力の制御を行う瞬時受電電力制御システム
であって、複数のキャパシタＣからなり該キャパシタＣ
のそれぞれに並列に接続して充電電圧の検出及びバイパ
ス制御を行う並列モニタ５を有するキャパシタ蓄電装置
６と、電力受電系統に接続されて交流と直流との変換を
行いキャパシタ蓄電装置６の充放電を行う交直変換装置
２と、電力受電系統を監視して交直変換装置２の制御を
行う系統監視電力制御装置１とを備え、系統監視電力制
御装置１により電力受電系統を監視して受電電力をゼロ
にすると共に無停電電源として使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、キャパシタ蓄電装
置を電力受電系統に接続し受電電力の制御を行う瞬時受
電電力制御システムに関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来、
負荷に電力を供給する電力供給システムとして、自家用
発電機を電力系統と連系させて負荷に電力を供給し、自
家用発電機で不足する負荷の電力を電力系統から供給す
るようにした、いわゆる系統連系運転が盛んに行われて
いる。このような電力供給システムにおいて、電気事業
法では、系統連系運転において、電力系統へ電力が逆流
する、いわゆる逆潮流が認められ、逆潮流電力（自家用
発電機の余剰電力）を電力会社に販売する場合がある。

【０００３】逆潮流が認められるケースでは、逆潮流電
力を電力会社に販売することもできるが、電力会社の逆
潮流電力（自家用発電機の余剰電力）の購入価格が安い
ので、通常電力会社からの受電電力をゼロにするように
発電機を制御し、自家用発電機から負荷の全電力を給電
している。しかし、発電機は、電力系統に連系され受電
電力をゼロにするように制御されていても、負荷が変動
すると、各種の遅れ要素が存在するため、負荷変動に追
従することができず、その結果受電点には電力脈動が生
じてしまう。

【０００４】ところで、平成６年に「高圧または特別高
圧受電する需要家の高調波ガイドライン」が制定され、
需要家から電力系統へ流出する高調波電流が規制されて
いるため、これを反映して需要家にアクティブフィルタ
ーを設置するケースが増加しつつある。アクティブフィ
ルターとは、負荷電流のうち、負荷から流出する高調波
電流を分離検出して、分離検出した高調波電流と全く逆
位相の電流を交直変換器から出力し、該高調波電流を相
殺するシステムである。

【０００５】近年の情報化社会を反映して、情報機器等
には、無停電電源装置がしばしば用いられている。上記
のような従来の電力供給システムにおいては、受電電力
の電力脈動が大きく、構内配線網電圧変動が大きくな
り、著しい場合は負荷が運転できなくなるといった問題
点があり改善が望まれていた。また、構内配線網の電圧
変動は、電力系統側にも影響し、電力系統の電圧変動が
生じ、電力系統が脆弱な場合には、その影響がことに顕
著であり、改善が望まれていた。

【０００６】瞬時に起こる負荷変動に対し発電機の受電
電力の制御が秒オーダであるために、受電電力が秒オー
ダで脈動する。また、負荷変動は常時発生しており、そ
の結果、受電電力の脈動も常時発生している。発明者の
１人が試算した例によると、１．３億回／１５年にも達
する。したがって、受電電力の脈動を吸収する電力貯蔵
手段としては、秒オーダの充放電を数多く行うことにな
る。電力貯蔵手段として、従来の二次電池、例えばＮＡ
Ｓ電池等を採用すると、これらの電力貯蔵手段は、内部
抵抗が大きく、充放電を繰り返すと温度が上昇し劣化を
加速させる。また、これらの電力貯蔵手段のサイクル寿
命は、高々２０００回程度であり、短時間で寿命に達し
てしまう。よって、電力貯蔵手段の交換が頻繁に発生す
ることになり実用的ではなかった。また、電力貯蔵手段
の交換は高額な費用が必要であり改善が切望されてい
た。

【０００７】従来の技術では、受電電力の電力脈動を制
限する瞬時受電電力制御システム、高調波電流を相殺す
るアクティブフィルターと無停電電源装置が別々の装置
であったことから、設置する設備全体が大規模になり、
広い設置面積と高額な設置費用を要するなど多くの改善
すべき課題を擁していた。

【０００８】

【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、受電電力の電力脈動を制限し、ア
クティブフィルター及び無停電電源装置としても機能す
る瞬時受電電力制御システムを提供し、もって電力の品
質の低下を阻止するとともに設備全体の設置面積及び設
置費用を削減するものである。さらに、電力貯蔵手段の
交換回数を削減することによって、実用的な瞬時受電電
力制御システムを提供し、かつ、電力貯蔵手段の交換費
用を削減できるようにするものである。

【０００９】そのために本発明は、キャパシタ蓄電装置
を電力受電系統に接続し受電電力の制御を行う瞬時受電
電力制御システムであって、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の検
出及びバイパス制御を行う並列モニタを有するキャパシ
タ蓄電装置と、電力受電系統に接続されて交流と直流と
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、前記電力受電系統を監視して前記交直変換装
置の制御を行う系統監視電力制御装置とを備えたことを
特徴とするものである。

【００１０】さらに、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接続切り換えを行う
切り換え回路を有し、前記キャパシタ蓄電装置と前記交
直変換装置との間に直列に充放電電流を制御する電流ポ
ンプを接続し、前記系統監視電力制御装置は、前記電力
受電系統の停電を監視し前記キャパシタ蓄電装置を無停
電電源として放電を行うように前記交直変換装置と前記
充放電切り換え回路を制御し、また、前記系統監視電力
制御装置は、電力の需給関係を監視して過渡電力の変動
に応じて前記キャパシタ蓄電装置の充放電を行うように
前記交直変換装置と前記充放電切り換え回路を制御し、
前記電力受電系統が過渡電力の変動のない安定時に前記
キャパシタ蓄電装置に対して所定の初期化充電を行うこ
とを特徴とするものである。

【００１１】

【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は本発明に係る瞬時受電電
力制御システムの実施の形態を示す図であり、１は系統
監視電力制御装置、２は交直変換器、３は電流ポンプ又
はキャパシタバンク切り換え、５は並列モニタ、６はキ
ャパシタ蓄電装置、７は開閉器、８は負荷、Ｃはキャパ
シタを示す。

【００１２】図１において、キャパシタ蓄電装置６は、
多数の直並列接続されるキャパシタＣとそれら各キャパ
シタＣに並列接続される並列モニタからなり、瞬時的な
充放電が可能な蓄電装置である。キャパシタＣは、例え
ば電気二重層キャパシタであり、並列モニタ５は、キャ
パシタＣに並列に接続して充電電圧の検出及びバイパス
制御を行うものである。交直変換器２は、電力受電系に
接続されて交流と直流との変換を行いキャパシタ蓄電装
置６の充放電を行うものであり、例えば電力受電系統と
キャパシタ蓄電装置６との間に直列に挿入接続してキャ
パシタ蓄電装置６を充電する場合には交流から直流への
変換モードに切り換え、キャパシタ蓄電装置６から放電
する場合には直流から交流への変換モードに切り換え
る。電流ポンプ３は、キャパシタＣの充放電電流を制御
する電流型のスイッチングコンバータである。系統監視
電力制御装置１は、負荷８に電力を供給する電力受電系
統における停電や過渡電力の変動などを監視して、電力
受電系統の状態に応じて交直変換器２の充放電切り換え
制御を行うものである。なお、開閉器７は、停電時に負
荷８に対してのみキャパシタ蓄電装置６を無停電電源と
して使用する場合に負荷８を電力受電系統から切り離す
ためのものである。

【００１３】上記構成において、系統監視電力制御装置
１では、電力受電系統を監視しながら例えば次のような
制御を行う。まず、電力受電系統が停電した場合には、
開閉器７を開成し、交直変換器２を直流から交流への変
換モードにして、キャパシタ蓄電装置６から電力負荷８
に放電させる。電力系統が健全な場合は、電力の需給関
係を監視して、過渡電力の変動に応じ、過渡電力の変動
がなく電力受電系統が安定している場合には、キャパシ
タ蓄電装置６の充放電履歴や各キャパシタの充電電圧の
バラツキ状態に応じて、交直変換器２を交流から直流へ
の変換モードにして、充電或いは所定の初期化充電を行
う。また、電力の需給関係を監視して、過渡電力の変動
がある場合には、その変動に応じて交直変換器２の変換
モードを制御してキャパシタ蓄電装置６の充放電を行
う。

【００１４】上記のようにキャパシタ蓄電装置６の充放
電を切り換え制御して過渡受電電力の制御や無停電電源
の供給制御を行う場合、キャパシタは、電圧変化が、そ
のままでは５０％つまり１／２電圧、あるいは７５％つ
まり１／４電圧まで使うなどと変動幅が大きくなるの
で、交直変換器２の許容入出力変動の範囲がそれに見合
って要求される。しかし、それほど電圧範囲の広い交直
変換器２は、かえってコスト高だったりするので、図１
に示すようにキャパシタ蓄電装置６において電流ポンプ
（電流型のスイッチングコンバータ）３を直列に接続し
てキャパシタの電圧を一定にする仲介をさせてもよい
が、大電力の場合には、電流ポンプ３を使用せず、後述
するキャパシタバンクの切り換えを行って変動範囲を少
なくしてもよいし、バンク切り換えでまだ残る変動分を
小型の電流ポンプで埋めるなどの併用を行うようにして
もよい。つまり、電流ポンプとバンク切り換えは、交直
変換器２の容量等に応じて適宜使い分けすればよいもの
である。

【００１５】図２は本発明に係る瞬時受電電力制御シス
テムを採用した電力供給システムの例を示す図であり、
１１は電力系統、１２はトランス、１３は真空遮断器、
１４、１８は一般負荷、１５は発電機、１６は瞬時受電
電力制御システム、１７は停電を許容しない負荷（以
下、重要負荷という）、１９は進相コンデンサを示す。

【００１６】図２において、一般負荷１４、１８及び重
要負荷１７は、電力系統１１より給電される。発電機１
５は電力系統１１に連系され受電電力をゼロにするよう
に制御されている。しかし、負荷が変動すると発電機１
５には各種の遅れ要素が存在するために負荷変動に追従
することができず、その結果受電点には、電力脈動が生
じてしまう。該電力脈動を上記構成の本発明に係る瞬時
受電電力制御システム１６により吸収し受電電力をゼロ
にする。一般負荷１８は、半導体変換器負荷等の高調波
電流を流出する負荷であり、その高調波電流の一部は、
容量性負荷である進相コンデンサ１９に吸収されるが、
吸収しきれない高調波電流は、電力系統１１に流出する
ことになる。平成６年に高圧又は特別高圧を受電する需
要家の高調波ガイドラインが制定され、電力系統１１に
流出される高調波電流が規制されている。瞬時受電電力
制御システム１６は、アクティブフィルターとしても機
能し、電力系統１１に流出される高調波電流を規制値以
内に制限する。さらに、瞬時受電電力制御システム１６
は、重要負荷１７に対して無停電電源装置としても使用
することが可能である。

【００１７】したがって、従来の電力供給システムで
は、受電電力の脈動が生じていたが、本発明の瞬時受電
電力制御システム１６を設置することにより、受電電力
の脈動を吸収し受電電力をゼロにすることができる。ま
た、従来の進相コンデンサ１９を設置しただけでは、進
相コンデンサ１９により吸収しきれない高調波電流が電
力系統１１に流出してしまうが、本発明の瞬時受電電力
制御システム１６がアクティブフィルターとしても機能
することにより、電力系統１１に流出する高調波電流を
規制値以内に制限することができる。さらに、電力系統
１１に停電が発生しても重要負荷１７には無停電で電力
が供給される。

【００１８】上記瞬時受電電力制御システム１６とし
て、先に述べたように二次電池を採用する場合には、例
えばＮａＳ電池と同等な充放電効率と鉛電池と同等なエ
ネルギー損失、１分間のバックアップ時間、１ｍｓの応
答速度と、１５年間に１．３億回に耐えるサイクル寿命
が必要となり、現実的には不可能である。これに対し、
キャパシタの場合には、ファラッド当たりの内部抵抗約
２ΩＦのものを用いると、キャパシタの効率９０％を維
持する最短充放電時間が１分間程度の短時間定格の性能
が得られるので十分に目的を実現できる。なお、キャパ
シタ単セルを直列に接続して必要な電圧を得る場合に、
キャパシタの均等充電を確保するためキャパシタセルに
並列モニタは不可欠である。またこの場合に、使用する
キャパシタ単セルの容量と必要とする設備容量との関係
で、必要数を並列にすることを妨げるものではない。

【００１９】次に、キャパシタバンク切り換えを行う構
成例について説明する。図３は本発明に係る瞬時受電電
力制御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、ＳＳ、ＳＡ１〜ＳＡ３、ＳＢ１〜ＳＢ３はスイ
ッチを示す。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】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、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、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し、直並列
切り換え回路を有するものでなくても、電流ポンプやキ
ャパシタバンク切り換えは、交直変換器に適宜個別に選
択、併用してもよいものであることはいうまでもない。
また、瞬時受電電力制御を行うと共に無停電電源として
動作させるようにしたが、併せて力率改善を目的として
動作させるようにしてもよいし、これらのいずれかの組
み合わせを採用して動作させたり、瞬時受電電力制御、
無停電電源、力率改善のいずれかの用途に限定して動作
させるようにしてもよい。さらに、電力受電系統を監視
してして交直変換器をキャパシタ蓄電装置に直列に接続
して充放電を切り換えるようにしたが、図１に示した交
直変換器２として、電力受電系統に整流器又は交直変換
器ー交直変換器を直列に接続し、その直列接続点にキャ
パシタ蓄電装置を接続して平常時も非常時もインバータ
を動かして電力を供給し、充放電の切り換えはインバー
タ可逆動作で行う、いわゆる常時インバータ方式を採用
してもよい。

【００４８】

【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受電系統に接続し
受電電力の制御を行う瞬時受電電力制御システムであっ
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の検出及びバイパス制御を行
う並列モニタを有するキャパシタ蓄電装置と、電力受電
系統に接続されて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、電力受電系統
を監視して交直変換装置の制御を行う系統監視電力制御
装置とを備えたので、受電電力をゼロにすると共に無停
電電源として使用することができる。

【００４９】さらに、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切り換え回路を有し、キャ
パシタ蓄電装置と交直変換装置との間に直列に充放電電
流を制御する電流ポンプを接続し、系統監視電力制御装
置は、電力受電系統の停電を監視しキャパシタ蓄電装置
を無停電電源として放電を行うように交直変換装置と充
放電切り換え回路を制御し、また、系統監視電力制御装
置は、電力の需給関係を監視して過渡電力の変動に応じ
てキャパシタ蓄電装置の充放電を行うように交直変換装
置と充放電切り換え回路を制御し、電力受電系統が過渡
電力の変動のない安定時にキャパシタ蓄電装置に対して
所定の初期化充電を行うので、短時間に大電流、大電力
を授受でき、受電電力をゼロにし高調波を相殺するアク
ティブフィルタの機能を備えたシステムを提供すること
ができる。

【００５０】本発明によれば、電力貯蔵手段としてキャ
パシタを用いているので、電力貯蔵手段の交換回数を削
減することが可能であり、実用的な瞬時受電電力制御シ
ステムを提供することができる。また、電力貯蔵手段の
交換回数を削減することによって電力貯蔵手段の交換費
用を削減することができる。

【００５１】従来の技術では、受電電力の電力脈動を制
限する瞬時受電電力制御システム、高調波電流を相殺す
るアクティブフィルターと無停電電源装置が別々の装置
であったために、設置する設備全体が大規模になって広
い設置面積と高額の設置費用を要するなど多くの改善す
べき課題を要していた。本発明においては、受電電力の
電力脈動を制限する瞬時受電電力制御システムがアクテ
ィブフィルター及び無停電電源装置として機能すること
になり、低コストであり、スペースメリットが確保で
き、設置費用が削減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る瞬時受電電力制御システムの実
施の形態を示す図である。

【図２】 本発明に係る瞬時受電電力制御システムを採
用した電力供給システムの例を示す図である。

【図３】 本発明に係る瞬時受電電力制御システムに用
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。

【符号の説明】

１…系統監視電力制御装置、２…交直変換器、３…電流
ポンプ、５…並列モニタ、６…キャパシタ蓄電装置、７
…開閉器、８…負荷、Ｃ…キャパシタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｊ 3/38 Ｈ０２Ｊ 3/38 Ｖ (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 Ｆターム(参考） 5G065 AA01 DA04 DA06 HA16 LA01 MA01 MA02 NA01 5G066 JA02 JA05 JA07 JB03

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 キャパシタ蓄電装置を電力受電系統に接
   続し受電電力の制御を行う瞬時受電電力制御システムで
   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の検出及びバイパス制御
   を行う並列モニタを有するキャパシタ蓄電装置と、電力
   受電系統に接続されて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
   受電系統を監視して前記交直変換装置の制御を行う系統
   監視電力制御装置とを備えたことを特徴とする瞬時受電
   電力制御システム。
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接続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記載の瞬時受
   電電力制御システム。
3. 【請求項３】 前記キャパシタ蓄電装置と前記交直変換
   装置との間に直列に充放電電流を制御する電流ポンプを
   接続したことを特徴とする請求項１記載の瞬時受電電力
   制御システム。
4. 【請求項４】 前記系統監視電力制御装置は、前記電力
   受電系統の停電を監視して停電時に前記キャパシタ蓄電
   装置を無停電電源として放電を行うように前記交直変換
   装置の制御を行うことを特徴とする請求項１記載の瞬時
   受電電力制御システム。
5. 【請求項５】 前記系統監視電力制御装置は、電力の需
   給関係を監視して過渡電力の変動に応じて前記キャパシ
   タ蓄電装置の充放電を行うように前記交直変換装置の制
   御を行うことを特徴とする請求項１記載の瞬時受電電力
   制御システム。
6. 【請求項６】 前記系統監視電力制御装置は、前記電力
   受電系統が過渡電力の変動のない安定時に前記キャパシ
   タ蓄電装置に対して所定の初期化充電を行うことを特徴
   とする請求項１記載の瞬時受電電力制御システム。