JP2003204625A - 電力安定供給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の電力安定供給装置では、雷到来による
瞬低の影響を防ぐために、電力安定供給装置が大型化し
重くなるとともに電力損失も大きく且つ高コストになっ
てしまうという問題を有していた。 【解決手段】 電力安定供給装置を２次電池と双方向チ
ョッパー回路および双方向コンバータで構成し、２次電
池側から系統母線側に向かって２次電池、チョッパー回
路、コンバータの順序に結線する。コンバータをワイド
ギャップ半導体素子、特にワイドギャップバイポーラ半
導体素子で構成し、ワイドギャップバイポーラ半導体素
子の瞬時大電力稼働能力と２次電池の瞬時大電力供給能
力を活用する。瞬低の影響を阻止する短時間の間は、コ
ンバータを２次電池の瞬時大電力供給能力を上回りかつ
コンバータ定格の数倍以上の電力容量のコンバータとし
て稼働させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力系統に連結さ
れる電力安定供給装置に関するものであり、特にレドッ
クスフロー電池、ナトリウム硫黄電池、鉛電池などの２
次電池を用いる電力安定供給装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、パーソナルコンピュータや精密モ
ータを搭載した精密電子機器などのように、電源電圧の
変動に敏感なエレクトロニクス機器が多用されてきてい
る。このため、電源電圧が短時間大幅に低下する現象で
ある瞬時電圧低下（以下、瞬低と略記する）に対する対
策の要求が高まってきており、瞬時電圧低下対策装置と
しての電力安定供給装置の需要が増大しつつある。また
従来から用いられている負荷平準化装置、ピークカット
装置、周波数変動抑制装置、電圧安定化装置、フリッカ
ー対策装置などの各種の電力安定供給装置に対しても瞬
時電圧低下対策の機能を付加することが必要とされてい
る。上記負荷平準化装置やピークカット装置等が、負荷
平準化やピークカットなどの本来の機能で動作している
状態を以下「通常時」という。

【０００３】図１１は２次電池としてレドックスフロー
電池を用いた従来の電力安定供給装置１０１を有する電
力供給系統のブロック図である。図において、変電所１
３０の電力系統１００に変圧器１２０を介して系統母線
１０２が連結されている。電力安定供給装置１０１はこ
の系統母線１０２に開閉器１０３を介して連系されてい
る。系統母線１０２には、例えば重要負荷１０４および
１０５がそれぞれの開閉器１１４、１１５を経て接続さ
れている。重要負荷１０４、１０５は、例えば半導体製
造工場、精密機械加工工場など、特に安定な電力供給が
必要な大口需要家の重要な設備である。系統母線１０２
には開閉器１０９、１１１を介して一般負荷１１０も接
続されている。電力安定供給装置１０１は、主に連系リ
アクトルを兼ねる変圧器１０６、交流電力を直流電力に
変換し、又はその逆の変換をするコンバータ１０７及び
大容量の２次電池１０８としてレドックスフロー電池を
備えている。この電力安定供給装置１０１は、通常時は
ピークカット装置や負荷平準化装置として機能するが、
雷事故の発生等による瞬低時には重要負荷１０４、１０
５の稼働停止等を防止するための瞬時電圧低下対策装置
としても働く。

【０００４】以下、電力安定供給装置１０１の機能を詳
細に説明する。変電所１３０と、重要負荷１０４、１０
５及び一般負荷１１０とを結ぶ電力供給系統の電力の需
給が均衡を保っている状態である「定常時」には、系統
母線１０２から開閉器１０３及び変圧器１０６を経て電
力安定供給装置１０１に供給される交流電力がコンバー
タ１０７で直流電力に変換されて２次電池１０８を充電
する。一方、重要負荷１０４又は１０５の消費電力が大
幅に増加して、一時的に負荷１０４、１０５に供給され
る電力が変電所１３０の容量を超過する場合には、電圧
検出器１０及び電流検出器１１を有する検出回路８によ
り、その状態が検出される。検出回路８の検出出力は制
御回路９に与えられる。制御回路９はコンバータ１０７
を制御して、２次電池１０８の放電による直流電力をコ
ンバータ１０７で交流電力に変換し、上記の超過する分
の有効電力を系統母線１０２に供給して需給を安定化さ
せる。系統母線１０２から供給されるべき超過分の電力
を電力安定供給装置１０１が代りに供給して、系統母線
１０２の供給電力のピークをカットできるのでこの機能
を「ピークカット」と呼んでいる。

【０００５】電力安定供給装置１０１の２次電池１０８
の容量を大きくし長時間供給できる電力を蓄電できるよ
うにすると負荷平準化装置として使用できる。すなわ
ち、夜間の低需要時間帯に一定時間（典型的には約８時
間）定電力で２次電池１０８を充電し、昼間の高需要時
間帯には一定時間（典型的には約８時間）定電力で２次
電池１０８から電力を供給する。これにより、高需要時
間帯には変電所１３０の供給可能電力以上の電力を供給
できる。この用途の電力安定供給装置は、昼と夜の電力
需要の大きなギャップを平準化するので「負荷平準化装
置」と呼ばれている。

【０００６】電力系統１００に雷が到来して系統の電圧
に瞬低が生じた場合には、電圧検出器１０が瞬低を検出
する。瞬低による重要負荷１０４、１０５の稼働停止等
を防ぐために、直ちに瞬低前の系統電圧に復帰させる必
要がある。そのために、電力安定供給装置１０１は、制
御回路９によりコンバータ１０７を制御して、２次電池
１０８から重要負荷１０４、１０５にコンバータ１０７
及び系統母線１０２を介して無効電力や有効電力を供給
して電力の安定供給を維持する。２次電池１０８からの
供給電力が不十分なときは開閉器１０９を開き重要度の
低い一般負荷１１０を切り離し、少なくとも重要負荷１
０４、１０５だけには所望の電力を供給して重要負荷１
０４、１０５の稼働停止を防ぐようにしている。瞬低が
回復すると直ちにコンバータ１０７を通常時の動作状態
に戻して電力を供給する。

【０００７】従来の電力安定供給装置においては、ピー
クカット時や負荷平準化時には、例えばそれぞれ前者で
は５００ｋＷ、後者では２ＭＷ程度の電力を比較的長時
間（例えば、前者では約１時間、後者は約８時間）供給
することが必要とされる。ピークカットや負荷平準化の
動作時に雷が到来して瞬低が発生した時には、低下した
電圧の復帰のために比較的短時間（例えば、２秒間）で
はあるが１から数ＭＷの電力を追加供給する必要があ
る。

【０００８】

【特許文献１】特開平６−１０５４８４号公報

【特許文献２】特開２００２−８４６８３号公報

【特許文献３】特開昭６１−１１６９３４号公報

【特許文献４】特開平１１−３２４３８号公報

【特許文献５】国際公開番号ＷＯ９８／４３３０１

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】レドックスフロー電
池、ナトリウム硫黄電池、鉛電池などの２次電池は、
「瞬時大電流供給能力」を有しており、数秒から数分間
であれば通常時に供給できる定格電流の数倍程度の電流
を供給できる。瞬低時にこの能力を活用すれば２次電池
の定格容量を増大しなくても瞬時電圧低下対策ができ
る。そこで、従来の電力安定供給装置では、２次電池の
瞬時大電流供給能力に対応した大きな電力容量を有する
大型のコンバータ１０７を備えていた。コンバータ１０
７の電力容量は、例えば通常時の電力容量の数倍に設定
する必要があった。

【００１０】雷の到来による瞬低はそれほど頻繁に発生
するものではなく、多くても年間２０回程度である。ま
た雷の影響による瞬低の持続時間は多重雷の場合でも数
秒間である。まれではあるが送電線にへびや鳥などの小
動物がひっかかったり、樹木が接したりして短絡や地絡
が発生することがある。このような場合には数分を超え
る比較的長時間の「瞬時停電」が起こることもある。し
かしこのように発生頻度が低い瞬低や瞬時停電に対応す
るために、通常時の供給電力の数倍にも及ぶ電力定格を
有する大型のコンバータを設けることは、電力安定供給
装置が大型化し重くなるとともに、電力損失も大きくな
り、設備費が高くつくばかりでなく運転中の経費も高く
つく、という問題があった。

【００１１】本発明は、通常時に必要な電力に相当する
電力定格を有するコンバータを用いて、瞬低や瞬時停電
の時には通常時の電力を大幅に超える電力を供給できる
電力安定供給装置を実現し、電力安定化装置の小型化・
軽量化・低損失化・低コスト化を図ることを目的とす
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の電力安定供給装
置は、直流電力を充放電する２次電池、及び前記２次電
池と、電力送電電源の系統母線との間に接続され、スイ
ッチング素子がワイドギャップバイポーラ半導体素子で
構成された、前記系統母線から入力される交流を直流に
変換して前記２次電池に出力し、前記２次電池から出力
される直流を交流に変換して前記系統母線に出力するコ
ンバータを有する。ワイドギャップバイポーラ半導体素
子は数秒間の短時間であれば定格電力の３から３０倍の
電力を制御することができる。また高性能のヒートシン
クを用いた場合、数分間であれば定格電力の１．４から
５倍の電力を制御できる。本発明ではコンバータのスイ
ッチング素子にワイドギャップ半導体素子を用い、その
定格電力は「通常時」の値に設定しておく。短時間に大
電力を供給する必要がある瞬低時や瞬時停電時には、定
格電力を大幅に超える大電力でコンバータを動作させる
が、大電力の供給時間は短いのでコンバータが破壊され
ることはない。

【００１３】本発明の他の観点の電力安定供給装置は、
直流電流を充放電する２次電池、前記２次電池に接続さ
れ、２次電池の充電電圧を降圧し、２次電池の放電電圧
を昇圧する双方向のチョッパー回路、及び前記チョッパ
ー回路と電力送電電源の系統母線との間に接続され、ス
イッチング素子がワイドギャップバイポーラ半導体素子
で構成された、前記系統母線から入力される交流を直流
に変換してチョッパー回路に出力し、前記チョッパー回
路から入力される直流を交流に変換して前記系統母線へ
出力するコンバータを有する。本発明の電力安定供給装
置では、双方向のチョッパー回路により２次電池の充電
電圧を降圧し、放電電圧を昇圧するので、前記の効果に
加えて、２次電池の電圧より高い電圧を有する系統母線
にも電力安定供給装置を適用することができる。

【００１４】本発明の他の観点の電力安定供給装置は、
直流電力を充放電する２次電池、前記２次電池に接続さ
れ、２次電池の充電電圧を降圧し、２次電池の放電電圧
を昇圧する双方向のチョッパー回路、前記チョッパー回
路と電力送電電源の系統母線との間に接続され、スイッ
チング素子がワイドギャップバイポーラ半導体素子で構
成された、前記系統母線から入力される交流を直流に変
換してチョッパー回路に出力し、前記チョッパー回路か
ら入力される直流を交流に変換して前記系統母線へ出力
するコンバータ、前記系統母線の電圧を検出し、検出し
た電圧に基づいて、電力の需給状態を検出する検出装
置、及び前記検出装置の検出出力に基づいて、前記系統
母線に接続された負荷と、電力送電電源との電力の需給
が均衡しているとき、前記２次電池を充電し、需要が供
給を上回ったとき、前記２次電池を放電して電力を系統
母線へ供給するよう前記コンバータを制御する制御回路
を有する。本発明によれば、上記の効果に加えて、系統
母線の電圧を検出することにより瞬低の発生を検出し
て、瞬低時の系統の電圧低下を防ぐことができる。

【００１５】本発明の他の観点の電力安定供給装置は、
直流電力を充放電する２次電池、前記２次電池に接続さ
れ、２次電池の充電電圧を降圧し、２次電池の放電電圧
を昇圧する双方向のチョッパー回路、前記チョッパー回
路と電力送電電源の系統母線との間に接続され、スイッ
チング素子がワイドギャップバイポーラ半導体素子で構
成された、前記系統母線から入力される交流を直流に変
換してチョッパー回路に出力し、前記チョッパー回路か
ら入力される直流を交流に変換して前記系統母線へ出力
するコンバータ、前記系統母線の電圧及び電流を検出
し、検出した電圧及び電流に基づいて、前記負荷の電力
の需給状態を検出する検出装置、及び前記検出装置の検
出出力に基づいて、前記系統母線に接続された負荷と、
電力送電電源との電力の需給が均衡しているとき、前記
２次電池を充電し、需要が供給を上回ったとき、前記２
次電池を放電して電力を系統母線へ供給するよう前記コ
ンバータを制御する制御回路を有する。本発明によれ
ば、上記の効果に加えて、系統母線の電圧と電流を検出
することにより、系統の電力の需給状況を検出すること
ができる。電力の需給状況を検出できるので、本発明の
電力安定供給装置を負荷平準化用に用いることができ
る。

【００１６】本発明の他の観点の電力安定供給装置は、
前記系統母線の電圧が雷事故等の発生により短時間大幅
に低下する瞬時電圧低下時には、前記２次電池から、前
記２次電池の定格放電電力の２倍から１２倍の放電電力
を出力させ、前記コンバータが、コンバータの定格制御
電力の２倍から１２倍に相当する前記２次電池の放電電
力を交流に変換して所定の無効電力と定格電力の２から
１２倍の有効電力を系統母線に出力するように、前記制
御回路により制御されることを特徴とする。前記系統母
線の電圧が雷事故等の発生により短時間大幅に低下する
瞬時電圧低下時には、前記２次電池から、前記２次電池
の定格放電電力の２倍から１２倍の放電電力を出力さ
せ、前記コンバータが、コンバータの定格制御電力の２
倍から１２倍に相当する前記２次電池の放電電力を交流
に変換して所定の無効電力と定格電力の２倍より小さい
有効電力を系統母線に出力するように、前記制御回路に
より制御されることを特徴とする。前記系統母線とコン
バータとの間に連系リアクトルの機能を含むトランスを
設けたことを特徴とする。前記系統母線とコンバータと
の間に連系リアクトルを設けたことを特徴とする前記系
統母線とコンバータとの間にトランスを設けたことを特
徴とする。前記２次電池が、レドックスフロー電池又は
ナトリウム硫黄電池であることを特徴とする。

【００１７】前記ワイドギャップバイポーラ半導体素子
が、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）を母材とするゲート
ターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）であることを特徴とす
る。前記ワイドギャップバイポーラ半導体素子が、窒化
ガリウムを母材とする半導体素子であることを特徴とす
る。前記ワイドギャップバイポーラ半導体素子が、Ｓｉ
ＣのＧＴＯの少なくとも１つのチップで形成されている
ことを特徴とする。前記ワイドギャップバイポーラ半導
体素子が、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）を母材とする
インシュレーテッドゲートバイポーラトランジスタ（Ｉ
ＧＢＴ）であることを特徴とする。前記ワイドギャップ
バイポーラ半導体素子が、ＳｉＣのＧＴＯの少なくとも
１つのチップ又は複数のチップを並列に接続したもので
形成されていることを特徴とする。

【００１８】前記ワイドギャップバイポーラ半導体素子
が、ＳｉＣのＩＧＢＴの少なくとも１つのチップ又は複
数のチップを並列に接続したもので形成されていること
を特徴とする。本発明の他の観点の電力安定供給装置
は、直流電力を充放電する２次電池、前記２次電池に接
続され、前記２次電池の充電電圧を降圧し、前記２次電
池の放電電圧を昇圧する双方向のチョッパー回路、前記
チョッパー回路と電力送電電源の系統母線との間に接続
され、スイッチング素子としてワイドギャップバイポー
ラ半導体素子を備え、前記系統母線から入力される交流
を直流に変換してチョッパー回路に出力し、前記チョッ
パー回路から入力される直流を交流に変換して前記系統
母線へ出力するコンバータ、前記系統母線の周波数を検
出し、検出した周波数に基づいて、電力の需給状態を検
出する検出装置、及び前記検出装置の検出出力に基づい
て、前記系統母線に接続された負荷と、電力送電電源と
の電力の需給が均衡しているとき、前記２次電池を充電
し、需要が供給を上回ったとき、前記２次電池を放電し
て電力を系統母線へ供給するよう前記コンバータを制御
する制御回路を有する。

【００１９】本発明の他の観点の電力安定供給装置は、
直流電力を充放電する２次電池、及び前記２次電池と、
電力送電電源の系統母線に接続された負荷との間に接続
され、スイッチング素子としてワイドギャップバイポー
ラ半導体素子を備え、前記系統母線から入力される交流
を直流に変換して前記２次電池に出力し、前記２次電池
から出力される直流を交流に変換して前記負荷に出力す
るコンバータを有する。この電力安定供給装置は、さら
に、前記系統母線に接続された負荷に供給される電力の
電圧及び電流を検出し、検出した電圧及び電流に基づい
て、前記負荷の電力の需給状態を検出する検出装置、及
び前記検出装置の検出出力に基づいて、前記負荷と、電
力送電電源との電力の需給が均衡しているとき、前記２
次電池を充電し、需要が供給を上回ったとき、前記２次
電池を放電して電力を系統母線へ供給するよう前記コン
バータを制御する制御回路を有する。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て説明する。ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ＧａＮ
（窒化ガリウム）、ダイヤモンドなどを母材としたワイ
ドギャップ半導体素子は、Ｓｉ（シリコン）を母材とし
た半導体素子に比べて損失が少なく、且つ高温でも動作
できるという物理的性質を有している。この点に注目し
てワイドギャップ半導体素子で制御できる短時間の最大
許容電力を調べたところ、数秒間程度の短時間であれば
ワイドギャップ半導体素子に定格電流をはるかに超える
電流を流しても破壊されないことが判った。特にワイド
ギャップバイポーラ半導体素子は２次電池の「瞬時大電
流供給能力」を越える大電流を流すことができる「瞬時
大電力稼働能力」をもつことが確認された。このような
特性を有するワイドギャップ半導体素子をスイッチング
素子として用いてコンバータを構成し、通常時はワイド
ギャップ半導体素子の定格内の電圧および電流で動作さ
せる。瞬低時には２次電池の瞬時大電力供給能力による
通常時の数倍の放電直流電力を前記コンバータにより交
流電力に変換して系統母線に供給する。

【００２１】通常時には、２次電池の放電による直流出
力電圧はチョッパー回路で昇圧された後、コンバータで
交流電力に変換されて系統母線に出力され各種の電力安
定化機能を果たす。２次電池は、電力安定化機能を果た
していない「定常時」に充電される。２次電池の充電時
は、系統母線からの交流電力がコンバータで直流電力に
変換され、チョッパー回路で降圧されて２次電池に充電
される。定常時及び通常時に充放電される電力値はコン
バータの定格内にある。

【００２２】瞬低時又は瞬時停電時には、２次電池から
その瞬時大電流供給能力に応じて定格の数倍の電流が、
ほぼ電池の定格電圧を保ちつつ供給される。すなわち、
定格電力のほぼ数倍の直流電力が供給される。この直流
電力はチョッパー回路で昇圧された後にコンバータで交
流電力に変換されて系統母線に出力され、電力の供給を
安定化する。コンバータとしては一般的な既知のＰＷＭ
動作型のスイッチング素子を有するコンバータを用い、
パルス幅変調をする。パルス幅変調式コンバータ（以
下、ＰＷＭコンバータと記す）の出力電圧の位相を系統
母線の電圧の位相よりも進ませて通常時と同じ電力を系
統母線に出力し、電力安定供給のための有効電力を出力
するのが望ましい。瞬低時には系統母線の電圧が低下す
る場合が多いのでパルス幅変調のパルス幅を広げてコン
バータを動作させることにより、通常時の数倍の無効電
力を出力し、系統母線の低下した電圧を瞬低前の電圧に
急速に戻す。

【００２３】瞬低時に２次電池の瞬時大電流供給能力に
応じて大電力でコンバータのワイドギャップ半導体素子
を動作させる場合、ワイドギャップ半導体ＭＯＳＦＥＴ
等のユニポーラ半導体素子は、その瞬時大電力稼働能力
が定格の約２倍程度あることが実験により見いだされ
た。一方、ＧＴＯ（Gate turn off thyristor）やＩＧ
ＢＴ（Insulated gate bipolar transistor）等のワイ
ドギャップバイポーラ半導体素子はユニポーラ半導体素
子よりも瞬時大電力稼働能力が大きく、定格の３から３
０倍以上であることが実験により見いだされた。以上の
実験結果から、本発明の電力安定供給装置のコンバータ
のスイッチング素子に用いる半導体素子としては、ワイ
ドギャップバイポーラ半導体素子のほうがユニポーラ半
導体素子より好適である。

【００２４】小電力の制御用のものでは、ワイドキャッ
プ半導体の１つのチップを用いてコンバータを構成する
ことができる。大電力の制御用のものでは、ワイドギャ
ップ半導体素子の母材のＳｉＣには多くの結晶欠陥が存
在するために、本発明の用途のような大電流を流すこと
ができる面積の大きいチップの作製は困難である。Ｓｉ
Ｃの結晶欠陥を減少させる技術が向上すればＳｉと同様
に１つの大面積のチップで半導体素子が実現できるが、
現状では大電流を流すために複数のチップを並列に接続
する方法が考えられる。複数のチップの並列接続は、Ｓ
ｉ半導体素子の場合は、ＩＧＢＴなどのユニポーラ動作
とバイポーラ動作が共存する融合素子では可能である
が、ＧＴＯ等のバイポーラ動作のみをする半導体素子で
は困難であるとされている。その理由は以下の通りであ
る。ＩＧＢＴなどのユニポーラ動作とバイポーラ動作が
共存する融合素子では、バイポーラ動作は負の温度依存
性を持ち、ユニポーラ動作は正の温度依存性を持つ。そ
のため正負の温度依存性の相殺効果により大電流が流れ
ても熱暴走を生じない。すなわちユニポーラ動作素子の
場合は素子のオン抵抗においてチャンネルの抵抗が最も
大きく、主にこのチャンネル抵抗の正の温度依存性が支
配的である。

【００２５】一方、バイポーラ動作素子の場合は温度が
高くなると接合ポテンシャルが低くなりキャリアの注入
が増大する一方ライフタイムも長くなるために電流が増
大する。このため更に素子の温度が高くなりキャリアの
注入とライフタイムの増大を促進しますます電流が増大
するといった負の温度依存性を持つ。これらの正負の温
度依存性の相殺効果によりＩＧＢＴは大電流が流れても
熱暴走が生じない。しかし、ＧＴＯ等の純粋なバイポー
ラ素子は負の温度依存性のみを持つために大電流が流れ
ると熱暴走しひいては素子の破壊にいたってしまう。

【００２６】発明者は、ＳｉＣの場合は、ＧＴＯであっ
ても長時間でなければ、並列接続による大電流化が可能
なことを見いだし、これを適用することにより本発明の
電力安定供給装置を実現した。大電流化は、ＳｉＣ−Ｇ
ＴＯの電界緩和領域である低濃度ベース領域の抵抗が正
の温度依存性をもつことにより得られる。すなわち、低
い温度ではバイポーラ動作の負の温度依存性が低濃度ベ
ース領域の抵抗の正の温度依存性よりも大きいためにＳ
ｉＣ−ＧＴＯは負の温度依存性をもつ。しかし数百℃以
上では低濃度ベース領域の正の温度依存性がバイポーラ
動作の負の温度依存性を相殺し逆に負の温度依存性の方
が優位になるためＳｉＣ−ＧＴＯは負の温度依存性をも
つようになる現象を発明者は見出した。

【００２７】ＳｉＣはバンドギャップが広いため１００
０℃以上の高温でも半導体としての性質を維持できるの
で、本発明ではこの現象を十分に活用する。これに対し
てＳｉの半導体素子では、半導体としての性質が維持さ
れる限界温度が低い。通常は接合温度を２００℃以下に
して使用しなければならないため、上記の現象の発現に
は至らずその活用が困難である。この現象を活用できる
時間は、素子の内部の発生熱量と外部への放熱量の差に
より、素子内部温度が上昇して半導体としての性質を維
持できなくなる限界温度にいたるまでの時間である。こ
の時間は、素子の構造や通電電流の密度、モジュールの
構造等により決まる。ＳｉＣはＳｉに比べて電力損失が
少なくかつ熱伝導率が大きいこともコンバータに適用し
たときの瞬時大電力稼働能力を大きくするのに極めて有
利に作用する。また、ＳｉＣを用いたＧＴＯのスイッチ
ング時間は１μｓ程度であり、Ｓｉを用いたＧＴＯに比
べて１桁以上短い。この点からターンオフ時にはＳｉの
ＧＴＯのように遮断時間の長いＧＴＯでは一部のＧＴＯ
に遮断電流が集中し破壊されやすい、という問題を回避
でき並列接続が可能になる。

【００２８】また、ＳｉＣ−ＩＧＢＴにおいてもＳｉ−
ＩＧＢＴとは異なり、電界緩和領域である低濃度ドリフ
ト領域の抵抗の正の温度依存性が大きな効果を及ぼし、
数百℃以上ではＳｉＣ−ＩＧＢＴは正の温度依存性を示
すことがわかった。すなわち、Ｓｉ−ＩＧＢＴにおい
て、バイポーラ動作の負の温度依存性がユニポーラ動作
の正の温度依存性を相殺し大電流が流れても熱暴走を生
じないように保てるのはＳｉが半導体の性質を堅持でき
る限界温度以内であり、限界温度に近い２００℃以上で
はバイポ−ラ動作が急激に優位になる。この程度の温度
では低濃度ドリフト領域の正の温度依存性は未だ小さく
バイポーラ動作の急増した負の温度依存性を相殺するこ
とができず熱暴走に至る。しかし、ＳｉＣ−ＩＧＢＴの
場合は数百℃以上では低濃度ドリフト領域の正の温度依
存性がバイポーラ動作の負の温度依存性を相殺し、逆に
正の温度依存性の方が優位になるためＳｉＣ−ＩＧＢＴ
が正の温度依存性をもつようになる。その結果、ＳｉＣ
−ＩＧＢＴを複数個並列接続すれば、Ｓｉ−ＩＧＢＴに
比べて遙かに大きな電流を短時間流すことができ、且つ
その信頼性も向上する。

【００２９】ＳｉのＧＴＯやＩＧＢＴを用いた従来のコ
ンバータを有する電力安定供給装置では、瞬低時に２次
電池から供給される通常時の数倍の電力に合わせた大容
量のコンンバータを設けなければならない。これに対し
て本発明の電力安定供給装置における、ＳｉＣのＧＴＯ
やＩＧＢＴを用いたコンバータは、定格電流の数倍の過
大な電流に耐えられるので、定格電流を通常時の電流に
合わせたコンバータによって瞬低時の大電流時に対応で
きる。そのため電力安定供給装置を構成する種々の部
品、例えばリアクトルとしてのトランス、半導体素子の
ヒートシンク、ブスバー等が小型にできる。また、容量
が小さいので、同じ変換効率でも損失の絶対値が小さく
低損失化ができるとともに大幅な低コスト化も達成でき
る。電力用途の大型コンバータは、小型のコンバータに
比べて高耐圧であるとともに高い信頼性が求められる。
また多くの保護機能を要求されるので価格が高い。例え
ば従来の電力安定供給装置で５ＭＷのコンバータが必要
である用途の場合、本発明のものでは１ＭＷのもので済
む。このためにコストは従来のもののほぼ５分の１にな
り大幅な低コスト化が達成できる。電力容量の大きい電
力安定供給装置ほど低コスト化の効果が大きくなる。以
上のように、本発明の電力安定供給装置は、大幅な小型
化・軽量化・低損失化・低コスト化が実現できる。

【００３０】以下、本発明の好適な実施例を図１から図
７を参照して説明する。 《第１実施例》図１は、本発明の第１実施例であるピ−
クカット用の電力安定供給装置１、及びこの電力安定供
給装置１が接続された、変電所１３０から重要負荷１０
４、１０５及び一瞬負荷１１０に至る電力供給系統のブ
ロック図である。「ピークカット」とは、電力需要の急
増により、消費電力が変電所１３０の供給可能な電力を
超過するとき、変電所１３０以外の電源から超過分を供
給することをいい、この状態にあるときを「ピークカッ
ト時」という。またピークカット時以外の状態のときを
「正常時」という。図において、変電所１３０の電力系
統１００にトランス１２０を経て系統母線１０２が連結
されている。系統母線１０２には、特に重要な重要負荷
１０４及び１０５がそれぞれの開閉器１１４及び１１５
を介して接続されている。また、系統母線１０２には開
閉器１０９及び１１１を介して重要負荷１０４、１０５
より重要度の低い一般負荷１１０が接続されている。開
閉器１０９は系統母線１０２に異常が発生したとき、ま
ず一般負荷１１０を切り離して、重要負荷１０４、１０
５への電力供給を優先して維持するためのものである。
系統母線１０２には、本発明の電力安定供給装置１が開
閉器６を介して接続されている。開閉器６、１０９、１
１１、１１４及び１１５を動作させる制御装置について
は、当分野では周知であるので図示を省略している。

【００３１】電力安定供給装置１は例えば５００ｋＷ定
格のレドックスフロー電池を用いた２次電池２、昇圧及
び降圧をする双方向のチョッパー回路３，５００ｋＷ定
格のコンバータ４及び、連系リアクトルも兼ねた変圧器
５を有し、開閉器６を介して６.６ｋＶの系統母線１０
２に連結されている。系統母線１０２の電圧と電流は、
それぞれ電圧検出器１０及び電流検出器１１で検出さ
れ、検出した電圧、電流に基づいて電力の需給状態が検
出回路８で検出される。電圧検出器１０にはポテンシャ
ルトランス（ＰＴ）等が用いられる。電流検出器１１は
カレントトランス（ＣＴ）等であり、変電所１３０内に
設けられて変電所１３０の出力電流を検出する。制御回
路９は、検出回路８から与えられる電力の需給状態を示
す検出出力に応じてコンバータ４の出力電力を制御す
る。２次電池２のレドックスフロー電池は電圧８００
Ｖ、電流６２５Ａの直流を約１時間供給できる容量を有
する。チョッパー回路３およびコンバータ４のスイッチ
ング素子はアノードゲート型のＳｉＣを用いたＧＴＯ
（以下、ＳｉＣ−ＧＴＯと記す）であり、それぞれの定
格電圧電流は、８ｋＶ・８００Ａおよび８ｋＶ・４００
Ａである。本装置の電力容量はチョッパー回路３、コン
バータ４及び変圧器５で発生する電力損失を考慮すると
約４５０ｋＷである。重要負荷１０４、１０５の電力消
費が増えて一時的に変電所１３０の電力容量を超過する
場合には、電圧検出器１０及び電流検出器１１によりそ
の状態を検出し、系統母線１０２に向けて２次電池２か
ら超過電力に応じた有効電力を最大約４５０ｋＷまで供
給できる。２次電池２は「定常時」（変電所１３０と、
重要負荷１０４、１０５及び一般負荷１１０等との間の
電力の需給が均衡を保っている状態）に系統母線１０２
から供給される電力により充電されている。

【００３２】レドックスフロー電池等の２次電池２の直
流の出力電圧は、使用期間の初期には例えば８００Ｖで
あるが、使用期間が長くなるとともに８００Ｖより低下
する傾向がある。そこで、ピ−クカット時は定電圧出力
保持型のチョッパー回路３で２次電池２の出力電圧を昇
圧し電圧を常に一定にしてコンバータ４に供給してい
る。直流電力を交流電力に変換するコンバータ４はＳｉ
Ｃ−ＧＴＯをスイッチング素子として用いている。コン
バータ４は、一般的な既知の回路構成を有するものであ
るので図示を省略している。ＳｉＣ−ＧＴＯはＳｉＣの
結晶内の欠陥による制約のために、電流定格を大きくす
るのが困難である。そこで電圧定格を高くして低い電流
定格において所望の電力定格を得るのが望ましい。本実
施例では、２次電池２のレドックスフロー電池の出力電
圧８００Ｖをチョッパー回路３で１６００Ｖに昇圧して
いる。例えば約１６００Ｖ、３００Ａの直流電力をコン
バータ４に供給している。コンバータ４ではこの直流電
力を７３６Ｖ、３５４Ａの交流電力に変換して変圧器５
に印加する。変圧器５は７３６Ｖの電圧を６.６ｋＶに
昇圧して開閉器６を経て系統母線１０２に出力し負荷１
０４、１０５及び１１０に供給する。

【００３３】ピークカット時に電力安定供給装置１が４
５０ｋＷのピ−クカット時の電力を供給しているとき、
もし電力系統１００に落雷事故が発生し、その影響で系
統母線１０２の電圧に瞬時電圧低下（以下、瞬低とい
う）が生じると、重要負荷１０４、１０５に稼働停止な
どの重大な障害を与えるおそれがある。そこでこれを防
ぐために、直ちに開閉器１０９を開き一般負荷１１０を
切り離す。同時に電力安定供給装置１において、２次電
池２からその瞬時大電流供給能力に相当する、例えば電
圧が８００Ｖで、２.５ＭＷの直流電力が出力されるよ
うに制御回路９でコンバータ４を制御する。チョッパ回
路３は８００Ｖの直流電圧を３.２ｋＶに昇圧してコン
バータ４に供給する。コンバータ４を駆動するＰＷＭパ
ルス幅は定格動作時よりも拡大され、コンバータ４から
は、電圧が１．４７ｋＶで４５０ｋＷの有効電力と、電
圧が約１.４７ｋＶで、２.７８ＭＶＡＲ（無効電力の単
位を表す）の無効電力が出力される。有効電力及び無効
電力の電圧は変圧器５で６.６ｋＶに昇圧されて系統母
線１０２に供給されて電圧低下を防ぐ。落雷の影響によ
る系統母線１０２の電圧低下が０.５秒間以上続くのは
極めて稀である。本実施例の電力安定供給装置１は４５
０ｋＷの有効電力と最大２.７８ＭＶＡＲの無効電力を
約６秒間供給できるようにコンバータ４を設計してある
ので、落雷による瞬低の対策として十分である。上記の
例ではコンバータ４は４秒間であれば定格の約６倍の瞬
時大電力を変換することができる。本実施例の電力安定
供給装置を瞬低のみに対応させる場合には、図８に示す
ように、電圧を検出する電圧検出器１０のみを設ければ
よく、図１に示す電流検出器１１は設けなくても、変電
所の電圧データを用いることにより対応できる。

【００３４】本実施例の電力安定供給装置１において定
格を大幅に越える電力でコンバータ４を動作させること
ができるのは、スイッチング素子としてＳｉＣ−ＧＴＯ
を用いているからである。本実施例で用いている、定格
電圧及び電流が８ｋＶ・４００Ａのアノードゲート型Ｓ
ｉＣ−ＧＴＯ素子の上面図を図２の（ａ）に示し、ｂ−
ｂ断面図を図２の（ｂ）に示す。このＳｉＣ−ＧＴＯ素
子は、定格電流８０Ａの５個のアノードゲート型ＳｉＣ
−ＧＴＯチップ１３１〜１３５を並列に接続してモジュ
ール化している。図２の（ｂ）において、カソード電極
１４に設けられた中間下部電極１６と、アノード電極１
５に設けられた中間上部電極１７との間に一辺が７ｍｍ
の略正方形の５個のＧＴＯチップ１３１、１３２、１３
３、１３４、１３５を挟み込み電気的に並列に接続して
いる。スペーサ１８はカソード電極１４の上における各
ＧＴＯチップ１３１から１３５の位置を定めるためのも
のである。セラミックス外囲器１９はカソード電極１４
とアノード電極１５間を一定距離に保持すると共に絶縁
するものであり、その直径は約１０ｃｍである。図３に
アノードゲート型ＳｉＣのＧＴＯチップ１３１の断面を
示す。このＧＴＯチップ１３１はｎ型ＳｉＣの、エミッ
タとして機能する基板５０の上面にｐ型ベース層５１、
ｎ型ベース層５２及びｐ型エミッタ層５３をこの順序で
積層している。基盤５０の下面にカソード電極５４を設
け、ｐ型エミッタ層５３にアノード電極５５を設けてい
る。ｎ型ベース層５２にアノードゲート電極５６を設け
ている。

【００３５】ＧＴＯチップ１３１は、アノードＡからア
ノードゲートＧに駆動電流を流すことによりオンにな
る。オンになった後、カソードＫとアノードＡとの間を
流れている電流を、カソードＫとアノードゲートＧとの
間に迂回して流すと、ＧＴＯチップ１３１はオフにな
る。ＧＴＯチップ１３１を構成する各層の厚さは、例え
ば、基板５０が約４００ミクロン、ｐ型ベース層５１が
約８０ミクロン、ｎ型ベース層５２が約３ミクロン、ｐ
型エミッタ層５３が約５ミクロンである。現状のＳｉＣ
では、ｐ型ＳｉＣはｎ型ＳｉＣに比べて最少の抵抗率が
１桁以上大きい。従って、最も厚い基板５０の部分をｎ
型ＳｉＣを用いて構成すると、ｐ型ＳｉＣを用いた場合
に比べて抵抗を小さくできる。これによりオン時の電力
損失を著しく小さくできるという利点がある。この場
合、アノードゲート電極５６をｐ型ベース層５１に設け
てカソードゲート駆動をするよりは、図３のようにｎ型
ベース層５２に設けてアノードゲート駆動をする方が、
ＧＴＯサイリスタのゲートターンオン電流やゲートター
ンオフ電流を大幅に低減できる。これにより、図示を省
略した駆動回路の出力が小電力ですみ、大幅に小型化・
軽量化できるとともに低損失化でき本発明の目的をより
効果的に達成できる。

【００３６】前に説明したように、Ｓｉ−ＧＴＯ素子
は、バイポーラ動作で負の温度依存性を持つので、大電
流が流れて素子の内部温度上がると更に電流が増えて益
々温度が上昇し、ついには熱暴走して素子の破壊に致
る。複数のＳｉ−ＧＴＯチップを並列に接続した場合
は、あるＳｉ−ＧＴＯチップに一旦電流集中が起こる
と、他のＳｉ−ＧＴＯチップの電流もそのチップに集中
してしまい熱暴走に至る場合がある。従ってＳｉ−ＧＴ
Ｏチップを多数並列に接続するのは困難である。これに
対して、ＳｉＣ−ＧＴＯの場合は前に記したように、大
電流の流れる時間が１０秒以下の短時間であれば並列接
続が可能である。大電流を流せる時間は、素子の内部で
の発生熱量と放出熱量の差により素子の内部温度が上昇
し、半導体としての性質を維持できる限界温度にいたる
までの時間である。この時間は素子の構造や通電電流の
密度、モジュールの構造等に依存して決まるが、図２に
示す構成では約８秒間は全く問題を生じないことが実験
により確認された。例えば、約４５分間のピークカット
の動作試験をしている間に８秒間の瞬低を発生させてテ
ストしたが、重要負荷１０４、１０５にほとんど影響を
及ぼすことなくピークカット電力を供給できた。

【００３７】本実施例ではＳｉＣ−ＧＴＯの瞬時大電力
稼働能力を活用することにより、このＳｉＣ−ＧＴＯを
用いたコンバータは瞬低の影響を防止する４.５秒間は
定格の６倍の電力を変換するコンバータとして働く。従
って、従来の設計のようにコンバータの容量を瞬低時を
考慮に入れた大電力のものにする必要はなく、瞬低時の
電力の数分の１のピークカット時の電力が供給できる能
力があれば十分である。これにより、ピークカットの電
力安定供給装置の大幅な小型化・軽量化・低損失化・低
コスト化が実現できる。

【００３８】《第２実施例》図４は、本発明の第２実施
例である負荷平準化用の電力安定供給装置２１のブロッ
ク図である。電力安定供給装置２１は定格電圧１.５Ｋ
Ｖ、定格電力１.５ＭＷのナトリウム硫黄電池を用いた
２次電池２２、双方向のチョッパー回路２３、コンバー
タ２４及び変圧器２５を有しており、前記図１の電力安
定供給装置１と同様に、開閉器６を介して、電圧６.６
ＫＶの系統母線１０２に接続されている。その他の構成
は電力安定供給装置１と同じである。

【００３９】「負荷平準化」とは、電力の需要が１日の
中の時間帯により大幅に異なる現象に対処するために、
電力需要の少ない時間帯に電力を蓄積し、需要の多い時
間帯に放出することをいう。チョッパー回路２３のスイ
ッチング素子は、電圧・電流が１０ｋＶ・１４００Ａの
アノードゲート型ＳｉＣ−ＧＴＯであり、コンバータ２
４のスイッチング素子は、電圧・電流が１０ｋＶ・６０
０Ａのアノードゲート型ＳｉＣ−ＧＴＯである。電力需
要の少ない夜間の、例えば２２時から６時の８時間に２
次電池２２を一定電力で充電する。電力需要の特に多い
昼間の、例えば９時から１７時の８時間は約１.３５Ｍ
Ｗの電力を２次電池２２から供給する。本実施例のコン
バータ２２に用いるＳｉＣ−ＧＴＯ素子は、定格電流１
００ＡのＧＴＯチップを図２に示すものと類似のパッケ
ージ内に６個設け、それらを並列接続してモジュール化
している。

【００４０】定格電流の比較的小さいＳｉＣ−ＧＴＯを
用い、電圧を高くして定格電力を大きくするために、昼
間の１.３５ＭＷの電力供給時は、チョッパー回路２３
で２次電池２の１.５ｋＶの直流出力電圧を３ｋＶに昇
圧している。その結果、コンバータ４には約３ｋＶ・４
８０Ａの直流電力が供給される。コンバータ２４はこの
直流電力を約１.３８ｋＶ・５６６Ａの交流電力に変換
し変圧器２５に供給する。変圧器２５は電圧を６.６ｋ
Ｖに昇圧し、開閉器６を介して系統母線１０２に供給し
ている。１.３５ＭＷの電力を供給している時に、電力
系統１００（図１）に落雷事故による瞬低が発生しその
影響で系統母線１０２の電圧が大幅に低下すると、重要
負荷１０４、１０５が稼働を停止するおそれがある。こ
れを防ぐために、２次電池２２の出力電圧をチョッパ回
路２３で４.５ｋＶに昇圧してコンバータ２４に供給す
る。また、コンバータ２４のスイッチング制御のＰＷＭ
パルス幅を拡大する。これによりコンバータ２４から、
定格値である約１.３５ＭＷの有効電力と、電圧が約２.
０７ｋＶで約６．４４ＭＶＡＲの無効電力が出力され
る。コンバータ２４の出力は変圧器２５で昇圧されて系
統母線１０２に供給され系統母線１０２の電圧低下を防
ぐ。

【００４１】本実施例ではＳｉＣ−ＧＴＯの瞬時大電力
稼働能力を活用することにより、定格電力が１.５ＭＷ
のコンバータが瞬低の影響を阻止する所定時間の間は
１.５ＭＷの約４.７倍の定格電力のコンバータとして働
く。従って、負荷平準化用の電力安定供給装置の大幅な
小型化・軽量化・低損失化・低コスト化が実現できる。

【００４２】《第３実施例》図５は、本発明の第３実施
例である周波数変動抑制用の電力安定供給装置３１のブ
ロック図である。電力安定供給装置３１は電圧が８００
Ｖで定格電力が７００ｋＷのレドックスフロー電池を用
いた２次電池３２、双方向のチョッパー回路３３、定格
電力６００ｋＷのコンバータ３４、及び変圧器３５を有
しており、図１の開閉器６を介して電圧６.６ｋＶの系
統母線１０２に連結されている。その他の構成は図１の
ものと同じである。「周波数変動抑制」とは、電力需要
の急変により、電力系統１００の交流の周波数が定格値
（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）からずれるのを防止するた
め、他の電源により電力供給の調整をして周波数を定格
値に保つことをいう。チョッパー回路３３およびコンバ
ータ３４のスイッチング素子は、定格電圧及び定格電流
がそれぞれ８ｋＶ・１０００Ａおよび８ｋＶ・５００Ａ
のアノードゲート型ＳｉＣ−ＧＴＯである。例えば、負
荷の変動や短絡事故などにより有効電力の需要と供給が
急激に不均衡になると、電力系統１００の周波数が変動
し不安定になる。系統母線１０２の周波数を検出器１０
Ａで測定し、測定出力を検出回路８に入力する。検出回
路８の検出出力は制御回路９に印加される。制御回路９
は検出出力に基づいてコンバータ３４を制御して、周波
数が下がった時には２次電池３２から系統母線１０２へ
有効電力を追加供給し、逆に周波数が上がった時には系
統母線１０２から２次電池３２へ有効電力を吸収して周
波数の変動を抑制する。本実施例の電力安定供給装置３
１の定格電力は例えば５４０ｋＷであり、周波数の変動
に応じてレドックスフロー電池の２次電池３２から有効
電力を最大出力約５４０ｋＷまで供給できる。

【００４３】本実施例においても、２次電池３２のレド
ックスフロー電池の経時劣化による電圧低下に対処する
ために、２次電池３２から５４０ｋＷの電力を供給する
時は、チョッパー回路３３で２次電池３２の出力電圧８
００Ｖを１６００Ｖに昇圧している。周波数が下がった
場合はコンバータ３４には２次電池３２から電圧１６０
０Ｖ・電流３６０Ａの直流電力が供給される。コンバー
タ３４はこの直流電力を約７３６Ｖ・４２５Ａの交流電
力に変換して変圧器３５に印加する。変圧器３５は電圧
７３６Ｖを６.６ｋＶに昇圧し、約６.６ｋＶ・４７.４
Ａの交流電力を開閉器６を経て系統母線１０２に供給し
周波数の低下を抑制する。

【００４４】本実施例の電力安定供給装置が周波数変動
抑制の動作をして５４０ｋＷの電力を系統母線１０２に
供給している時、電力系統１００に落雷事故が発生しそ
の影響で系統母線１０２の電圧に瞬低が生じた場合、重
要負荷１０４、１０５が稼働を停止するおそれがある。
これを防ぐために、直ちに、２次電池３２からその瞬時
大電流供給能力に対応する３ＭＷの直流電力を取り出
し、チョッパ回路３３で電圧を３.２ｋＶに昇圧してコ
ンバータ３４に供給する。コンバータ３４では制御回路
９の制御によりスイッチング動作のＰＷＭパルス幅が定
格動作時よりも拡大され、コンバータ３４から５４０ｋ
Ｗの有効電力とともに、電圧が約１.４７ｋＶで３.７２
ＭＶＡＲの無効電力が出力される。コンバータ３４の電
圧は変圧器３５で昇圧され開閉器６を経て系統母線１０
２に供給され系統母線１０２の電圧低下を防ぐ。

【００４５】落雷の影響による系統母線１０２の電圧低
下は通常０.５秒間以下でありそれ以上続くのは極めて
稀である。本実施例の電力安定供給装置３１は、５４０
ｋＷの有効電力とともに、最大３.４６ＭＶＡＲの無効
電力を３.５秒間は供給できる。従ってこの装置は通常
の落雷による瞬低には十分対処できる。この場合、コン
バータ３４は３.５秒間、定格電力の約５.７倍の瞬時大
電力で動作している。

【００４６】本実施例のコンバータ３４に用いるＳｉＣ
−ＧＴＯ素子は、定格１００ＡのＳｉＣ−ＧＴＯチップ
を図２に示すものと類似のパッケージ内に６個設けそれ
らを並列に接続してモジュール化している。コンバータ
３４の制御電流がＳｉＣ−ＧＴＯ素子の定格電流を大幅
に越えた場合でも、大電流が流れる時間が短時間であれ
ば、ＳiＣ−ＧＴＯの素子電界緩和領域（図示省略）で
ある低濃度ベース領域の抵抗が正の温度依存性をもつの
で、数百℃以上の温度範囲ではバイポーラ動作の負の温
度依存性と相殺され電流集中による熱暴走を防止でき
る。

【００４７】本実施例ではＳｉＣ−ＧＴＯの瞬時大電力
稼働能力を活用することにより、定格電力７００ｋＷの
コンバータ３４を瞬低の影響を防止する短時間の間は約
５.７倍の定格電力のコンバータとして動作させること
ができる。これにより周波数変動抑制用の電力安定供給
装置の大幅な小型化・軽量化・低損失化・低コスト化が
実現できる。

【００４８】《第４実施例》図６は、本発明の第４実施
例であるピ−クカット用の他の例の電力安定供給装置４
１のブロック図である。本実施例では２次電池４２とし
て電圧が８００Ｖで定格出力が５００ｋＷのナトリウム
硫黄電池を用いている。コンバータ４４のスイッチング
素子は、定格電圧・電流が７ｋＶ・４００Ａのｐ型ゲー
ト型ＳｉＣ−ＩＧＢＴである。それ以外の構成、動作、
機能等は実質的に第１実施例と同様である。電力安定供
給装置４１が例えば４５０ｋＷのピ−クカット電力を供
給している時に電力系統１００に落雷事故が発生し、そ
の影響で系統母線１０２の電圧が低下したとき、重要負
荷１０４、１０５の稼働停止を防ぐために、コンバータ
４４から４６０ｋＷの有効電力とともに、約１.４７ｋ
Ｖの電圧で２.７８ＭＶＡＲの無効電力が出力される。
コンバータ４４の出力は変圧器４５で昇圧されて系統母
線１０２に供給され、系統母線１０２の電圧低下を防
ぐ。この場合、コンバータ４４からは約３秒間定格電力
の約６倍の瞬時大電力が供給される。

【００４９】本実施例のＳｉＣ−ＩＧＢＴ素子は定格電
流５０Ａのチップを８個並列に接続してモジュール化し
ている。本実施例のように、定格電流を大幅に超えた装
置の稼働はＳｉＣ−ＩＧＢＴ特有の温度依存性によって
可能になる。先に記したように、ＳｉＣ−ＩＧＢＴはＳ
ｉ−ＩＧＢＴとは異なり、電界緩和領域である低濃度ド
リフト領域の抵抗の正の温度依存性が大きな効果を及ぼ
す。数百℃以上ではＳｉＣ−ＩＧＢＴは負の温度依存性
を示す。Ｓｉ−ＩＧＢＴにおいてもバイポーラ動作の負
の温度依存性がユニポーラ動作の正の温度依存性を相殺
し、大電流が流れても熱暴走を生じないようにできる。
しかしこれはＳｉの温度が半導体の性質を維持できる限
界温度より低い場合である。限界温度に近い２００℃以
上ではバイポーラ動作が急激に優位になり、低濃度ドリ
フト領域の正の温度依存性をもってしても負の温度依存
性を相殺することができず熱暴走に至る。ＳｉＣ−ＩＧ
ＢＴの場合は数百℃以上では低濃度ドリフト領域の正の
温度依存性がバイポーラ動作の負の温度依存性を相殺
し、逆に低濃度ドリフト領域の正の温度依存性の方が優
位になるためＳｉＣ−ＩＧＢＴが正の温度依存性をもつ
ようになる。これによりＳｉＣ−ＩＧＢＴを複数個並列
に接続すれば、Ｓｉ−ＩＧＢＴに比べて遙かに大きな電
流を短時間流すことが出来る。このように、ＳｉＣ−Ｉ
ＧＢＴでは大きな電流定格容量を実現するために素子を
複数個並列接続してモジュールにすることが容易にで
き、且つそのモジュールの信頼性も高い。

【００５０】ＩＧＢＴはＧＴＯなどのサイリスタ素子と
異なりゲートに制御電圧を印加することにより通電電流
を制御する機能を有する。従って、ＳｉＣ−ＩＧＢＴ素
子の通電電流を高速で検出し、制御信号のＰＷＭパルス
幅を所定の電流以上に流れないように制限すれば熱暴走
を防ぐことができ、この点からも多数のＩＧＢＴチップ
を並列に接続して使用しやすい。スイッチング速度が遅
い素子を多数並列接続するとターンオフ時の遮断速度が
遅い素子に電流が集中し破壊されやすい。しかし、Ｓｉ
Ｃ−ＩＧＢＴのスイッチング速度はＳｉＣ−ＧＴＯに比
べて１桁以上速いのでこの電流の集中が避けられ、この
点からも並列接続が可能になる。本実施例の電力安定供
給装置を瞬低のみに対応させる場合には、図９に示すよ
うに、電圧を検出する電圧検出器１０のみを設ければよ
く、図６に示す電流検出器１１は設けなくても、変電所
の電圧データを用いることにより対応できる。

【００５１】本実施例ではＳｉＣ−ＩＧＢＴの瞬時大電
力稼働能力を活用することにより、定格電力が５００ｋ
Ｗのコンバータ４４を瞬低の影響を防止するための短時
間の間は約６倍の定格電力のコンバータとして動作させ
ることができる。従って、ピークカット用の電力安定供
給装置４１の大幅な小型化・軽量化・低損失化・低コス
ト化が実現できる。

【００５２】《第５実施例》図７は本発明の第５実施例
である、ピークカット用の電力安定供給装置６１のブロ
ック図である。本実施例のピークカット用電力安定供給
装置は特に重要性の高い重要負荷１０４のみに対してピ
ークカットを行う装置である。本ピークカット装置６１
は、３５０ｋＷ定格のレドックスフロー電池６２、双方
向チョッパー回路６３、３５０ｋＷ定格のコンバータ６
４、連系リアクトルも兼ねた変圧器６５、電圧検出器６
６、電流検出器６９、検出回路６７及び制御回路６８を
備えている。本装置は開閉器６を介して重要負荷１０４
と開閉器１１４接続点に接続されており、この開閉器１
１４を介して６.６ｋＶの系統母線１０２に連系されて
いる。レドックスフロー電池６２はほぼ８００Ｖの直流
電圧で約１.５時間電力を供給できる。チョッパー回路
６３およびコンバータ６４は各々８ｋＶ・１０００Ａお
よび８ｋＶ・３００Ａ定格のアノードゲード型ＳｉＣ−
ＧＴＯで構成されている。本装置の電力容量はチョッパ
ー回路６３やコンバータ６４や変圧器６５で電力損失が
発生するので約３１７ｋＷとなるが、重要負荷１０４に
変動が生じ一時的に変電所の所定の電力容量を超過する
場合、レドックスフロー電池６２から有効電力を負荷に
追従して最大約３１７ｋＷまで供給できるものである。
レドックスフロー電池６２はピークカット時以外は系統
母線１０２により充電されている。

【００５３】３１７ｋＷのピークカット電力の供給時に
上位系統に落雷事故が発生しその影響で系統母線の電圧
が低下した場合は、重要負荷１０４が稼働停止してしま
うのを防ぐために、瞬時に開閉器１１４をオフにする。
重要負荷１０４には、コンバータ６４から変圧器６を介
して３ＭＷの有効電力を供給し、瞬低の影響を防ぐこと
ができる。この場合、２秒以下であれば、コンバータ６
４を定格の約９．５倍の瞬時大電力で動作させることが
できる。この間に系統母線１０２の電圧が瞬低前の状態
に復帰すれば、開閉器１１４をオンし系統母線から重要
負荷に所定の電力が供給される。この瞬時大電力は動作
時間によって変わり定格電力の２から１２倍の有効電力
で動作させることができる。実用設計上は３から１０倍
にするのが望ましい。上記の定格を大幅に超えたコンバ
ータ６４の稼働は実施例１や２と同様にＳｉＣ−ＧＴＯ
の使用によって可能になされている。本実施例のＳｉＣ
−ＧＴＯ素子は定格５０Ａのチップを例えば６個並列に
接続してモジュール化している。本実施例の電力安定供
給装置を瞬低のみに対応させる場合には、図１０に示す
ように、電圧を検出する電圧検出器６６のみを設ければ
よく、図７に示す電流検出器６９は設けなくても、変電
所の電圧データを用いることにより対応できる。本実施
例ではＳｉＣ−ＧＴＯの瞬時大電力稼働能力を活用する
ことにより、３５０ｋＷ定格のコンバータを瞬低の影響
を阻止する２秒以下の短時間の間は９.５倍の定格のコ
ンバータとして稼働できるので、ピークカット電力安定
供給装置の大幅な小型化・軽量・低損失・低コスト化を
実現できる。

【００５４】《第６実施例》本発明の第６実施例は、負
荷平準化用の電力安定供給装置であり、図４に示す前記
第２実施例のものと同様の構成を有している。よって図
４を参照して説明する。前記第２実施例の電力安定供給
装置２１は定格値の有効電力を供給していたが、本実施
例の電力安定供給装置２１は定格値の２から１２倍の有
効電力を供給するように、制御回路９でコンバータ２４
を制御する。このために、制御回路９は、系統母線１０
２の電圧の位相に対して、コンバータ２４の出力電圧の
位相を進めるように制御する。本実施例の電力安定供給
装置２１は、定格１．０ＭＷのナトリウム硫黄電池の２
次電池２２、チョッパー回路２３、定格１．０ＭＷの双
方向のコンバータ２４、及び変圧器２５を有し、開閉器
６を介して６．６ｋＶの系統母線１０２に連系されてい
る。チョッパー回路２３およびコンバータ２４のスイッ
チング素子は８ｋＶ・８００Ａのアノードゲート型Ｓｉ
Ｃ−ＧＴＯで構成されている。本実施例の電力安定供給
装置２１は電力需要の少ない夜間の８時間に定電力で２
次電池２２を充電し、電力需要の多い昼間に例えば０．
９ＭＷの電力を８時間の間２次電池２２から供給する。
本実施例のコンバータ２４に用いるＳｉＣ−ＧＴＯ素子
は定格１００Ａのチップを８個並列に接続してモジュー
ル化している。

【００５５】前記第１実施例と同様に本実施例において
も、ＳｉＣ−ＧＴＯの比較的小さい電流定格に対応する
ために、昼間に０．９ＭＷの電力を供給する時は、２次
電池２２の出力直流電圧をチョッパー回路２３で３ｋＶ
に昇圧している。その結果、コンバータ４には約３２０
Ａの直流電流が流れる。コンバータ２４は、３ｋＶの直
流電圧を約１．２ｋＶの交流電圧に変換し変圧器２５に
印加する。交流電圧は、変圧器２５により６．６ｋＶに
昇圧され、開閉器６０を介して系統母線１０２に出力さ
れ各負荷に供給される。０．９ＭＷの電力を供給してい
る時に落雷事故が発生し、その影響で系統母線１０２の
電圧が低下した場合、電圧の低下により重要負荷１０
４、１０５の稼働停止が発生するのを防ぐために、４．
８ＭＷの直流電力が２次電池２２からチョッパー回路２
３を経てコンバータ２４に供給される。コンバータ２４
からは約４．５ＭＷの有効電力と、出力電圧が約１．３
８ｋＶで約３．３８ＭＶＡＲの無効電力が出力される。
有効電力は極く短時間であれば、最大で定格の１２倍の
１２ＭＷ程度まで出力できる。出力電圧は変圧器２５で
６．６ｋＶに昇圧されて系統母線１０２に供給される。
これにより系統母線１０２の電圧低下を防ぐとともに、
重要負荷１０４、１０５に有効電力の一部を供給して瞬
低による稼働停止を防止する。

【００５６】以上のように、本実施例ではＳｉＣ−ＧＴ
Ｏの瞬時大電力稼働能力を活用することにより、瞬低の
影響を防止する短時間の間、定格１ＭＷの２次電池２２
から定格の約５倍の約５ＭＷの直流電力を出力させ、定
格１ＭＷのコンバータ２４を定格の約６倍の約６ＭＷの
電力で稼働させる。すなわち、瞬低時に定格の２倍から
数倍の電力を放電できる２次電池２２と、定格の２倍か
ら数倍の電力で稼働できるコンバータ２４を用いること
で、負荷平準化用の電力安定供給装置の大幅な小型化・
軽量化・低損失化・低コスト化を実現できる。

【００５７】以上、第１から第６実施例により本発明を
説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるもの
ではなく、各種の変形応用ができるものである。例え
ば、コンバータ４、２４、３４、４４のスイッチング素
子はＧＴＯやＩＧＢＴに限定されるものではなく、静電
誘導サイリスタ、バイポーラトランジスタ、エミッタス
イッチドサイリスイタ（ＥＳＴ）、ＩＥＧＴ、ＳＩＡＦ
ＥＴ、ＳＩＪＦＥＴ等の各種のワイドギャップバイポー
ラ半導体素子をスイッチング素子として使用できる。ま
たＳｉＣ以外の他のワイドギャップ半導体材料すなわち
窒化ガリウムやダイヤモンドなどを用いた上記の各半導
体素子も同様に前記各コンバータに使用可能である。

【００５８】２次電池２、２２、３２、４２はレドック
スフロー電池やナトリウム硫黄電池の他に、鉛電池、亜
鉛塩素電池や亜鉛臭素電池、リチウムイオン電池などで
もよい。電力容量が２００ｋＷ以下の小容量電力安定供
給装置の場合は、電流容量も小さいのでチップ面積の小
さいワイドギャップバイポーラ半導体素子で十分対応可
能である。この場合には、所定の電力を小さい電流で得
るために電圧を昇圧する目的のチョッパー回路は必ずし
も必要がない。この場合は電池の電圧を直接コンバータ
に印加すればよい。

【００５９】ワイドギャップバイポーラ半導体素子は高
耐圧の実現が容易である。例えば２０ｋＶ以上の耐圧に
することにより、直接６.６ｋＶの系統母線１０２に連
系できるのでトランス５、２５、３５、４５を用いずに
連系用リアクトルのみを用いることもできる。前記各実
施例では、６.６ｋＶの配電系統母線の例で説明した
が、電力安定供給装置を構成する各要素を高耐圧大電流
にすることにより、更に上流の電力系統に連結する電力
安定供給装置にも適用できる。また送電線にへびや鳥な
どの小動物がひっかかったり、樹木が接したりして短絡
や地絡が発生した場合の数分を超える比較的長時間の
「瞬時停電」にも本発明の電力安定供給装置を適用でき
る。さらに電力送電電源の複数の発電機の内１つが故障
したり、電力の大口需要家の負荷（工場など）が突然稼
働を停止したりした場合、急激な電力変動が生じ、電力
需給の不均衡が５分以上継続する場合がある。雷による
瞬低の継続時間（数秒）よりはるかに長い５分から１時
間の電力需給の不均衡による系統周波数の変動等に対し
ても、２次電池の容量を増やし、かつスイッチング素子
を冷却するなど、その温度を所定値以下に保つ手段を講
じることにより、本発明の電力安定供給装置を適用する
ことができる。このような長時間の場合、本発明の電力
安定供給装置は、定格出力の１．５から３倍程度の電力
を調整することができ、非常用電線としても利用でき
る。

【００６０】

【発明の効果】以上の各実施例で詳細に説明したよう
に、本発明によれば、ワイドギャップバイポーラ半導体
素子の瞬時大電力駆動能力を活用することにより、瞬低
の影響を阻止する短時間の間は、このワイドギャップバ
イポーラ半導体素子を有するコンバータを、２次電池の
瞬時大電力供給能力を上回る、コンバータの定格電力の
数倍以上の電力で動作させる。これにより、電力安定供
給装置の大幅な小型化・軽量化・低損失化・低コスト化
できるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例であるピ−クカット用の電
力安定供給装置のブロック図

【図２】（ａ）は第１実施例のコンバータに用いるＳｉ
Ｃ−ＧＴＯ素子のモジュール構成の平面図 （ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ断面図

【図３】ＳｉＣ−ＧＴＯチップの断面図

【図４】本発明の第２実施例及び第６実施例の負荷平準
化用の電力安定供給装置のブロック図

【図５】本発明の第３実施例である周波数変動抑制用の
電力安定供給装置のブロック図

【図６】本発明の第４実施例であるピ−クカット用の電
力安定供給装置のブロック図

【図７】本発明の第５実施例である電力安定供給装置の
ブロック図

【図８】本発明の第１実施例の瞬低対応の場合の電力安
定供給装置のブロック図

【図９】本発明の第４実施例の瞬低対応の場合の電力安
定供給装置のブロック図

【図１０】本発明の第５実施例の瞬低対応の場合の電力
安定供給装置のブロック図

【図１１】従来のピ−クカット用の電力安定供給装置の
ブロック図。

【符号の説明】

１、２１、３１、４１、１０１ 電力安定供給装置 １００ 電力系統 ５、１２０ 変圧器 ６、１０９、１１１、１１４、１１５ 開閉器

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流電力を充放電する２次電池、及び前
   記２次電池と、電力送電電源の系統母線との間に接続さ
   れ、スイッチング素子としてワイドギャップバイポーラ
   半導体素子を備え、前記系統母線から入力される交流を
   直流に変換して前記２次電池に出力し、前記２次電池か
   ら出力される直流を交流に変換して前記系統母線に出力
   するコンバータを有する電力安定供給装置。
2. 【請求項２】 直流電力を充放電する２次電池、前記２
   次電池に接続され、前記２次電池の充電電圧を降圧し、
   前記２次電池の放電電圧を昇圧する双方向のチョッパー
   回路、及び前記チョッパー回路と電力送電電源の系統母
   線との間に接続され、スイッチング素子としてワイドギ
   ャップバイポーラ半導体素子を備え、前記系統母線から
   入力される交流を直流に変換してチョッパー回路に出力
   し、前記チョッパー回路から入力される直流を交流に変
   換して前記系統母線へ出力するコンバータ、 を有する電力安定供給装置。
3. 【請求項３】 直流電力を充放電する２次電池、 前記２次電池に接続され、前記２次電池の充電電圧を降
   圧し、前記２次電池の放電電圧を昇圧する双方向のチョ
   ッパー回路、 前記チョッパー回路と電力送電電源の系統母線との間に
   接続され、スイッチング素子としてワイドギャップバイ
   ポーラ半導体素子を備え、前記系統母線から入力される
   交流を直流に変換してチョッパー回路に出力し、前記チ
   ョッパー回路から入力される直流を交流に変換して前記
   系統母線へ出力するコンバータ、 前記系統母線の電圧を検出し、検出した電圧に基づい
   て、電力の需給状態を検出する検出装置、及び前記検出
   装置の検出出力に基づいて、前記系統母線に接続された
   負荷と、電力送電電源との電力の需給が均衡していると
   き、前記２次電池を充電し、需要が供給を上回ったと
   き、前記２次電池を放電して電力を系統母線へ供給する
   よう前記コンバータを制御する制御回路を有する電力安
   定供給装置。
4. 【請求項４】 直流電力を充放電する２次電池、 前記２次電池に接続され、前記２次電池の充電電圧を降
   圧し、前記２次電池の放電電圧を昇圧する双方向のチョ
   ッパー回路、 前記チョッパー回路と電力送電電源の系統母線との間に
   接続され、スイッチング素子としてワイドギャップバイ
   ポーラ半導体素子を備え、前記系統母線から入力される
   交流を直流に変換してチョッパー回路に出力し、前記チ
   ョッパー回路から入力される直流を交流に変換して前記
   系統母線へ出力するコンバータ、 前記系統母線の電圧及び電流を検出し、検出した電圧及
   び電流に基づいて、電力の需給状態を検出する検出装
   置、及び前記検出装置の検出出力に基づいて、前記系統
   母線に接続された負荷と、電力送電電源との電力の需給
   が均衡しているとき、前記２次電池を充電し、需要が供
   給を上回ったとき、前記２次電池を放電して電力を系統
   母線へ供給するよう前記コンバータを制御する制御回路
   を有する電力安定供給装置。
5. 【請求項５】 前記系統母線の電圧が雷事故等の発生に
   より短時間大幅に低下する瞬時電圧低下時には、前記２
   次電池から、前記２次電池の定格放電電力の２倍から１
   ２倍の放電電力を出力させ、 前記コンバータが、コンバータの定格制御電力の２倍か
   ら１２倍に相当する前記２次電池の放電電力を交流に変
   換して所定の無効電力と定格電力の２倍から１２倍の有
   効電力を系統母線に出力するように、前記制御回路によ
   り制御されることを特徴とする請求項３又は４に記載の
   電力安定供給装置。
6. 【請求項６】 前記系統母線の電圧が雷事故等の発生に
   より短時間大幅に低下する瞬時電圧低下時には、前記２
   次電池から、前記２次電池の定格放電電力の２倍から１
   ２倍の放電電力を出力させ、 前記コンバータが、コンバータの定格制御電力の２倍か
   ら１２倍に相当する前記２次電池の放電電力を交流に変
   換して所定の無効電力と定格電力の２倍より小さい有効
   電力を系統母線に出力するように、前記制御回路により
   制御されることを特徴とする請求項３又は４に記載の電
   力安定供給装置。
7. 【請求項７】 前記系統母線とコンバータとの間に連系
   リアクトルの機能を含むトランスを設けたことを特徴と
   する請求項１から６のいずれかに記載の電力安定供給装
   置。
8. 【請求項８】 前記系統母線とコンバータとの間に連系
   リアクトルを設けたことを特徴とする請求項１から６の
   いずれかに記載の電力安定供給装置。
9. 【請求項９】 前記２次電池が、レドックスフロー電池
   及びナトリウム硫黄電池のいずれかであることを特徴と
   する請求項１、２、３又は４に記載の電力安定供給装
   置。
10. 【請求項１０】 前記ワイドギャップバイポーラ半導体
    素子が、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）を母材とする半
    導体素子であることを特徴とする請求項１、２、３又は
    ４に記載の電力安定供給装置。
11. 【請求項１１】 前記ワイドギャップバイポーラ半導体
    素子が、窒化ガリウムを母材とする半導体素子であるこ
    とを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の電力安
    定供給装置。
12. 【請求項１２】 前記ワイドギャップバイポーラ半導体
    素子が、ＳｉＣのＧＴＯの少なくとも１つのチップで形
    成されていることを特徴とする請求項１、２、３又は４
    に記載の電力安定供給装置。
13. 【請求項１３】 前記ワイドギャップバイポーラ半導体
    素子が、ＳｉＣのＩＧＢＴの少なくとも１つのチップで
    形成されていることを特徴とする請求項１、２、３又は
    ４に記載の電力安定供給装置。
14. 【請求項１４】 前記ワイドギャップバイポーラ半導体
    素子が、ＳｉＣのＧＴＯの複数のチップを並列に接続し
    て形成されていることを特徴とする請求項１、２、３又
    は４に記載の電力安定供給装置。
15. 【請求項１５】 前記ワイドギャップバイポーラ半導体
    素子が、ＳｉＣのＩＧＢＴの複数のチップを並列に接続
    して形成されていることを特徴とする請求項１、２、３
    又は４に記載の電力安定供給装置。
16. 【請求項１６】 直流電力を充放電する２次電池、 前記２次電池に接続され、前記２次電池の充電電圧を降
    圧し、前記２次電池の放電電圧を昇圧する双方向のチョ
    ッパー回路、 前記チョッパー回路と電力送電電源の系統母線との間に
    接続され、スイッチング素子としてワイドギャップバイ
    ポーラ半導体素子を備え、前記系統母線から入力される
    交流を直流に変換してチョッパー回路に出力し、前記チ
    ョッパー回路から入力される直流を交流に変換して前記
    系統母線へ出力するコンバータ、 前記系統母線の周波数を検出し、検出した周波数に基づ
    いて電力の需給状態を検出する検出装置、及び前記検出
    装置の検出出力に基づいて、前記系統母線に接続された
    負荷と、電力送電電源との電力の需給が均衡していると
    き、前記２次電池を充電し、需要が供給を上回ったと
    き、前記２次電池を放電して電力を系統母線へ供給する
    よう前記コンバータを制御する制御回路を有する電力安
    定供給装置。
17. 【請求項１７】 直流電力を充放電する２次電池、及び
    前記２次電池と、電力送電電源の系統母線に接続された
    負荷との間に接続され、スイッチング素子としてワイド
    ギャップバイポーラ半導体素子を備え、前記系統母線か
    ら入力される交流を直流に変換して前記２次電池に出力
    し、前記２次電池から出力される直流を交流に変換して
    前記負荷に出力するコンバータを有する電力安定供給装
    置。
18. 【請求項１８】 前記系統母線に接続された負荷に供給
    される電力の電圧及び電流を検出し、検出した電圧及び
    電流に基づいて、前記負荷の電力の需給状態を検出する
    検出装置、及び前記検出装置の検出出力に基づいて、前
    記負荷と、電力送電電源との電力の需給が均衡している
    とき、前記２次電池を充電し、需要が供給を上回ったと
    き、前記２次電池を放電して電力を系統母線へ供給する
    よう前記コンバータを制御する制御回路を有する請求項
    １７に記載の電力安定供給装置。