JP2005080475A - 多重雷対策機能付き瞬低補償システム - Google Patents

Abstract

【課題】常時は定格運転で負荷平準化機能を発揮しながら、商用電源側（電力供給系統）で瞬低が生じたときには、その瞬低が短い間に多くの回数生じるものであっても、瞬低に対し補償を行い充分な瞬低対策機能を発揮し得て、且つ、出力による瞬低補償時間の制約が小さい瞬低補償システムを提供すること。
【解決手段】多重雷対策機能付き瞬低補償システム１０の提供による。多重雷対策機能付き瞬低補償システム１０は、商用電源８と、その商用電源８に接続された負荷２と、を結ぶ需要家系統１に設けられる常時商用給電式の瞬低補償システムである。多重雷対策機能付き瞬低補償システム１０は、半導体素子を構成要素とし需要家系統１に挿入されて商用電源８と負荷２とを接続・切離するスイッチ４１と、負荷平準化機能の電力供給源と瞬低補償機能の電力供給源とを兼ねた電力貯蔵可能な二次電池３と、その二次電池３と需要家系統１との間に備わる充電・放電が可能な交直変換器４と、その交直変換器４を構成する素子の有効利用を目的とした温度監視手段７と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、負荷平準化機能を有するとともに、瞬低発生時には瞬低補償装置として機能し、多重雷に起因する短時間多頻度の瞬低を補償する能力を有する常時商用給電方式の瞬低補償システムに関する。

現代社会においては、高度に発達したコンピュータシステムと通信ネットワークを用いたオンラインシステムが広く浸透しており、それらコンピュータシステムや通信ネットワークによって重要な生産設備等が制御・稼動されている。そのため、供給電力に瞬低（電圧低下）や停電が生じれば、各種サービスや製品等に大きな損失を与えかねず、電力供給系の品質の安定は大変重要な課題と認識されている。そして、瞬低対策として各種の瞬低補償装置が実用化されている。

瞬低補償装置のタイプとしては、二次電池を用いた常時インバータ式や常時商用給電式等があるが、負荷平準化機能を兼ね備える装置では、常時損失量、設備設置スペース、設備コスト等を勘案すると常時商用給電式が有利である。そこで多くの場合、この方式が採用されるが、従来の常時商用給電式の瞬低補償装置には、多くの場合、瞬低が、多重雷に起因して短時間に多頻度で発生すると、ハードウエアの諸制約により充分な対応が出来ないという問題を有していた。

従来の常時商用給電式の瞬低補償装置の一例として、三菱電機製のＭＰＣ方式高圧瞬低補償装置を挙げ、その装置の構成を図２に示す。瞬低補償装置２０は、図中示されない商用電源８と負荷２とを結ぶ需要家系統１に設けられる常時商用給電式の瞬低補償装置であり、需要家系統１に挿入されたスイッチ６２と、そのスイッチ６２より負荷２側に接続されるエネルギー貯蔵源６３と交直変換器６４とからなる装置である。この装置の問題点は、スイッチ６２が機械式のためバネ巻き上げの時間が数十秒程度必要であり、その間の瞬低補償が不可能な点にある。上記したように瞬低は多重雷に起因する等で短時間に多頻度で発生することが多いため、数十秒単位の補償不可能な時間が存在しては、瞬低への対応が充分とはいえず、重要な生産設備の電力供給系にかかる装置として改善が望まれていた（これを第１の課題とよぶ）。又、瞬低補償装置２０は、容量をエネルギー貯蔵源６３の設置・増設でまかなうものであるため、瞬低補償時間がその容量に依存し、一定の限界がある点も改善が望まれていた。

一方、電力供給系においては、負荷変動の抑制も重要な課題と認識されている。多くの場合、工場は昼間に稼動し夜間は停止するか操業率を低下させ、又、通常、オフィスで人が働く時間も昼間である。従って、昼夜間の電力負荷の格差は大きくなる。更に、冷暖房なしに過ごし易い春秋に比べて、夏冬には猛暑乃至厳寒のため冷房や暖房の需要が増加することから、電力負荷は季節によっても格差を生じ得る。近年、これらの格差が益々拡大してきており、電力供給設備の稼働率を表す負荷率は年々低下してきているが、他方、産業競争力を向上させる目的等により電力コストを低減する要望は高まってきており、ここにおいて、電力供給にかかる負荷平準化が重要であると認識が広まったのである。そして、その対策の１つとして、高効率で大容量な二次電池の開発が進められ、負荷状態によって充電乃至放電を行い、電力供給設備側からみた負荷変動を抑え得る電力貯蔵システムとして実用化されている。

電力貯蔵システムの二次電池は、瞬低補償装置のエネルギー貯蔵源としても利用可能である。そこで、このような電力貯蔵システムを、常時は負荷平準化のために使用し、瞬低の発生時には瞬低補償装置として機能させるように構成したシステム、即ち、負荷平準化機能及び瞬低補償機能を有する常時商用給電式の瞬低補償システムの実現が要望された。この要望は、具体的には、例えば図２に示した瞬低補償装置２０の構成要素のうちエネルギー貯蔵源６３を、二次電池を主構成要素とする電力貯蔵システムに置き換えることで叶い得る。そして、こうすると、二次電池の残存容量を監視しておくことによって、上記従来の瞬低補償装置にかかる問題のうち、瞬低補償時間がエネルギー貯蔵源の容量に依存し一定の限界があるという課題は、解決され得る。しかしながら、瞬低補償装置として機能させるときの上記第１の課題は依然として残る。

又、瞬低補償に要する出力が負荷平準化に要する出力より大きな場合には、負荷平準化に要する出力を定格出力として、二次電池の充放電制御用の交直変換器を設計することが合理的であるが、そうすると、瞬低補償装置として機能させたときには、瞬低が生じた短い時間、交直変換器が過負荷状態となる。従って、瞬低補償装置として機能させた直後は、交直変換器の例えば半導体素子を冷却する時間が必要となるため、この間に発生した瞬低を補償出来なくなる。即ち、多重雷に起因する等で短時間に多頻度で発生する瞬低に対し充分な対応が出来ず、この問題をコスト増を伴うことなく解決することが望まれていた（これを第２の課題とよぶ）。尚、後述するように、瞬低は実際に短時間に多頻度で発生しているが、従来、常時商用給電方式を採用しつつ多重雷瞬低を補償したシステム・装置等は提案されていないようである。

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、常時は定格運転で負荷平準化機能を発揮しながら、商用電源側（電力供給系統）で瞬低が生じたときには、その瞬低が短い間に多くの回数生じるものであっても、瞬低に対し補償を行い充分な瞬低対策機能を発揮し得て、且つ、出力による瞬低補償時間の制約が小さい瞬低補償システムを提供することにある。従来の第１の課題であるスイッチに起因した補償不可能な時間をなくし多重雷に起因し短時間に多頻度で発生する瞬低に対し充分な補償を行い得るシステムとすること、及び、第２の課題である交直変換器に起因した補償不可能な時間をなくし短時間に多頻度で発生する瞬低に対し充分な補償を行い得るシステムとすることについて、検討を重ねた結果、以下に示す手段により、上記目的を達成出来ることが見出された。

即ち、本発明によれば、商用電源とその商用電源に接続された負荷とを結ぶ需要家系統に設けられる常時商用給電式の瞬低補償システムであって、半導体素子を構成要素とし需要家系統に挿入されて商用電源と負荷とを接続・切離するスイッチと、そのスイッチより需要家系統の負荷側に接続され負荷平準化機能の電力供給源と瞬低補償機能の電力供給源とを兼ねた電力貯蔵可能な二次電池と、その二次電池と需要家系統との間に備わる充電・放電（充放電とも記す）が可能な交直変換器と、その交直変換器を構成する素子の有効利用を目的とした温度監視手段と、を具備し、常時は、負荷の変動に伴い二次電池が需要家系統との間で交直変換器を介し給電乃至充電を行って商用電源側からみた電力使用量を平準化し、商用電源側における瞬低の発生時は、スイッチが商用電源と負荷とを瞬時に切離するとともに温度監視手段により交直変換器を構成する素子の温度を監視しつつ二次電池が交直変換器を介して負荷へ給電を行い、多重雷に起因する瞬低を補償可能とする多重雷対策機能付き瞬低補償システムが提供される。

本発明の多重雷対策機能付き瞬低補償システムは、限定されるものではないが、定格電圧が６００Ｖ以上の高圧の場合に、好適に採用され得る。又、本発明の多重雷対策機能付き瞬低補償システムは、瞬低補償出力を限定しないが、１ＭＶＡ以上の高出力とすることが可能である。

本発明の多重雷対策機能付き瞬低補償システムは、上記交直変換器を構成する素子の温度監視手段を限定するものではない。例えば、個々の素子にセンサを取り付け温度を計測し監視してもよく、又、交直変換器内部の雰囲気温度を計測し間接的に交直変換器を構成する素子の温度（負荷状態）を監視することが可能であるが、より好ましい温度監視手段は、交直変換器を構成する素子の通電時間乃び／又は通電電流を用いた手段である。本発明の多重雷対策機能付き瞬低補償システムは、より好ましい温度監視手段として、次の３つの手段を提供する。第１の温度監視手段は、交直変換器を構成する素子の通電電流及び通電時間により、連続的に、交直変換器を構成する素子の損失を計算する手段である。第２の温度監視手段は、所定の通電時間毎に検出した交直変換器を構成する素子の通電電流により、交直変換器を構成する素子の損失を計算する手段である。第３の温度監視手段は、交直変換器を構成する素子の通電時間と、予め設定した単位時間あたりの素子の損失値（固定値）とにより、交直変換器を構成する素子の損失を計算する手段である。限定されるものではないが、上記温度監視手段にかかる交直変換器を構成する素子は、即ち温度監視の対象となる素子は、半導体素子であることが好ましい。

本発明の多重雷対策機能付き瞬低補償システムは、二次電池がナトリウム−硫黄電池であり、そのナトリウム−硫黄電池と交直変換器との間に、双方向変換機能を有する直流チョッパを具備することが好ましい。本発明の多重雷対策機能付き瞬低補償システムは、瞬低の発生時において、定格出力の概ね１〜８倍の補償出力を出すことが可能である。

本発明の多重雷対策機能付き瞬低補償システムは、６００〜７０００Ｖの高圧においても入及び切の動作が可能な、半導体素子を構成要素とする、新たに開発されたスイッチを備え、加えて、交直変換器を構成する素子（例えば半導体素子）の温度監視手段を有しているので、常時は定格運転で負荷平準化機能を発揮しながら、商用電源側で瞬低が生じたときには、その瞬低が短い間に多くの回数生じるものであっても、それに対し補償を行い充分な瞬低対策機能を発揮し得る。又、充放電可能な二次電池を有しているので電力容量による瞬低補償時間の制約も小さい。多重雷瞬低対策機能は、今後の高圧大容量瞬低補償システムの根幹をなす技術といえる。

以下、本発明の実施の形態について、適宜、図面を参酌しながら説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈されるべきものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。例えば、図面は、好適な本発明の実施の形態を表すものであるが、本発明は図面に表される態様や図面に示される情報により制限されない。本発明を実施し又は検証する上では、本明細書中に記述されたものと同様の手段若しくは均等な手段が適用され得るが、好適な手段は以下に記述される手段である。

本発明は、商用電源とその商用電源に接続された負荷とを結ぶ需要家系統に設けられる瞬低補償システムであり、負荷平準化機能と多重雷瞬低対策機能とを併せ持つものである。商用電源とは 一般に、原子力、火力、水力等の発電所を発生源とし工場・設備・家庭等が使用する電源のことをいい、電圧は２００Ｖ、４００Ｖクラスの低圧から６００〜７０００Ｖの高圧を含む。負荷とは工場・設備・家庭等で電力を使用乃至消費する電動機等を有する種々の機器・装置等である。需要家系統とは、商用電源とそれら負荷とをケーブル等で結ぶ系であって需要家エリア側の系統を意味し、本発明の多重雷対策機能付き瞬低補償システムは、その需要家系統に設けられるシステムである。

常時商用給電式とは、常時即ち瞬低・停電等が生じた異常時以外は、商用電源をそのまま（交直・直交変換せずに）負荷へ供給する方式であり、常時インバータ給電式を採用する場合に比べて構成機器が少なく、常時損失量（運転コスト）、設備設置スペース、設備コスト等の点で有利である。瞬低補償システムとは、瞬低が生じたときに電力を供給し得る能力を有するシステムをいい、本発明では充放電可能な二次電池を有し、それが電力を蓄えることにより瞬低が生じたときに電力を供給する役割を担っている。負荷平準化機能とは、電力を蓄える能力により、負荷の電力使用量が少ないときに電力を蓄え（商用電源側からみて電力を消費し）、負荷の電力使用量が多いときは電力を供給し（商用電源側からみて消費電力を抑え）、商用電源側からみた電力使用量を平準化し、負荷の変動を抑える機能をいう。本発明の多重雷対策機能付き瞬低補償システムは、常時は、商用電源をそのまま負荷へ供給しつつ、この負荷平準化機能を発揮している。

次に多重雷瞬低対策機能について説明する。瞬低とは瞬時の間、電圧が低下する現象をいい、瞬時の間とは限定されるものではないが、一般に数十〜数百ｍｓｅｃ程度の時間をいう。

多重雷とは短時間に多頻度に起こる雷であり、多重雷瞬低とはその雷に起因して生じる瞬低であり、瞬低の態様、起こり方を意味している。図３及び表１を参照して説明する。図３は商用電源側の系統（電力供給系統という）の一例を示す説明図である。例えば電力供給系統は、図示しない発電所と需要家系統１０１とを結ぶ変電所３３及び送電線３１により構成される。送電線３１は長距離にわたって面的に張り巡らされており、雷雲３４が送電線３１に沿って移動することも珍しくないことから、この電力供給系統に対し雷３５が発生すると、極めて短時間に多頻度、雷による瞬低が発生し、需要家系統１０１に影響を及ぼす。表１は、瞬低補償がなされない場合の需要家系統１０１における瞬低及び停電の発生状況の一例を、発生時刻、電圧低下率、継続時間（ｓｅｃ）で示したものである。この例では、瞬低は少なくとも１７時４３分から１０分間の間に４回、各回の継続時間として１５０〜１７０ｍｓｅｃ程度生じていることがわかる。本発明の多重雷対策機能付き瞬低補償システムは、このような電力供給系統（勿論、需要家系統に直接落雷することもあり得る）における多重雷に起因して、需要家系統１０１に短時間に多頻度で発生し得る瞬低についての対策機能を有する、即ち、本発明の多重雷対策機能付き瞬低補償システムは、このような瞬低を補償し、負荷への瞬低の影響を抑え得るシステムである。

図１は、本発明の多重雷対策機能付き瞬低補償システムの一実施態様を示す構成図である。本発明に係る多重雷対策機能付き瞬低補償システム１０は、図示しない商用電源８と負荷２とを結ぶ需要家系統１に挿入されている。

多重雷対策機能付き瞬低補償システム１０の構成要素は、少なくとも４つある。第１の構成要素は、商用電源８と負荷２とを接続・切離（入切ともいう）するために、需要家系統１に挿入されて設けられるスイッチ４１である。尚、本明細書において、スイッチで商用電源と負荷とを接続・切離することを、需要家系統を入切するとも記す。

このスイッチ４１は、例えば電力供給系統に落雷が発生したこと等により瞬低乃至停電が生じたときに、商用電源８から負荷２を瞬時に切り放し、二次電池３から供給される電力を商用電源８側へ逆流させることなく負荷２へ供給させる役割を担うものであり、半導体素子を構成要素としている。

第２の構成要素は、そのスイッチ４１より負荷２側に接続される二次電池３である。二次電池３は充電及び放電が可能で繰り返し使用可能な電池であり、商用電源８から充電し、負荷２に対し放電する。この二次電池３の残存容量を監視し、一定容量を確保しておくことによって、瞬低補償可能時間を管理することが出来る。本発明においては二次電池の種類は限定されるものではないが、ナトリウム−硫黄電池（ＮａＳ電池とも記す）、鉛電池、リチウム電池、レドックスフロー電池、等を採用することが出来る。より好ましい二次電池は、エネルギー密度が高くコンパクトであり、自己放電が少なく電池効率の高いＮａＳ電池である。

第３の構成要素は、その二次電池３と需要家系統１との間に備わる交直変換器４である。交直変換器４は、交流の需要家系統１と直流の二次電池３との間で双方向に交直変換するとともに二次電池３の充放電動作を制御する機器であり、素子（好ましくは半導体素子）を構成要素としている。第４の構成要素は温度監視手段７である。この温度監視手段７は、交直変換器４を構成する素子の温度を監視する手段であり、交直変換器４が半導体素子を構成要素とする場合には、この半導体素子の温度を監視する手段である。

上記構成要素を有する本発明の多重雷対策機能付き瞬低補償システムにおける従来にない特徴は２つある。第１の特徴は、需要家系統が６００〜７０００Ｖの高圧である場合においても入切可能な半導体素子を構成要素とするスイッチを用いていることである。ここで入切可能なスイッチとは、極短い間隔で接続（入）及び切離（切）の動作を行うことが可能なスイッチをいう。従来使用されている機械式では、巻き上げ時間等のために、極短い間隔での入切動作が不可能であったが、本発明においては新たに開発された半導体スイッチを用いて極短い時間間隔での入切動作を可能とした。従って、従来の機械式スイッチに比較して、瞬低を補償出来ない時間が殆どなくなり、システムの信頼性が向上している。尚、半導体素子は、より具体的にはサイリスタであり、このスイッチをサイリスタスイッチともよぶ。

従来においても、半導体素子による高速スイッチが存在しないわけではなかった。例えば、低圧ではＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子を用いたスイッチが知られている。又、高圧でも使用されているが、従来は、入又は切の何れかに特化しており、高圧の需要家系統の主回路を入及び切を単独で頻繁に繰り返すものが存在しておらず、多重雷瞬低への対応は不可能であった。これは、サンプリング周期の高速化や同期制御等にかかりゲートの高速制御が難しいことや、サージ対策等も含めると高コストになり特に小容量のシステムでは採用が困難であること、等の理由によると考えられる。

本発明では、ゲート信号回路の変更（連続信号化・ハイヤーゲートの追加その他）、各種信号の高速化、切換時のインラッシュ対策用フェライトコアの主回路への追加、その他の改良を行い、サイリスタスイッチを高圧の需要家系統で入切可能なスイッチに適用可能なものとした。その結果、多重雷瞬低の発生に対し、その度に需要家系統の接続・切離が可能となった。

本発明の第２の特徴は、交直変換器を構成する素子（例えば半導体素子）の温度を監視する温度監視手段を有することである。負荷平準化機能を併せ持つシステムであるため、瞬低補償機能を発揮する際には、定格の数倍（３倍程度）の出力となり二次電池と交直変換器に負担がかかる。なかでも交直変換器がボトルネックとなり、一般に定格の３倍程度の出力の場合、数秒の稼動後に数十分の冷却時間が必要となる。これでは多重雷に起因する瞬低に対応出来ない。この対策として、交直変換器を構成する素子の熱容量を大きくする方法がとられ得るが、そうすると非常時である瞬低補償機能発揮時のためだけに設備が大きくなりコストも増大してしまう。

本発明においては、交直変換器の性能を限界まで使用すべく、素子の温度を監視し（例えば半導体素子の接合部の温度を監視し）、余裕があれば遅滞なく復旧させ（冷却時間を短くし）、再度の雷による瞬低を補償出来るようなシステムを構築している。従って、非常時（瞬低補償機能発揮時）のために交直変換器を構成する素子の熱容量を大きくすることなく、常時の負荷平準化機能を発揮するシステムに似合った設備で、コスト増を伴わずに、多重雷瞬低への対応が可能になっている。換言すれば、瞬低補償時の出力を定格とする場合に比べて、小型で低廉なシステムとなっている。

本発明の多重雷対策機能付き瞬低補償システムにおいて、温度監視手段として以下の３つの具体的な手段を採用することが好ましい。第１の温度監視手段は、交直変換器を構成する素子（例えば半導体素子）の通電電流（通電電流Ａ１と記す）及び通電時間（通電時間Ｔ１と記す）という２つのパラメータにより、連続的に、交直変換器を構成する素子の損失（損失Ｌと記す）を計算する手段である（損失値連続演算法とよぶ）。この損失値連続演算法は、より正確に損失を求め得て温度にかかる素子の余裕を管理出来るが、演算量が多く、制御系の負担が大きくなるのが難点である。連続的にとは、常時、通電電流Ａ１を計測し、累積の通電時間Ｔ１により、損失Ｌを求めることを意味する。

第２の温度監視手段は、所定の通電時間（通電時間Ｔ２と記す）毎に検出した交直変換器を構成する素子（例えば半導体素子）の通電電流（通電電流Ａ２と記す）により、交直変換器を構成する素子の損失Ｌを計算する手段である（損失値切換演算法とよぶ）。この損失値切換演算法は、上記損失値連続演算法における演算を段階的に行う手段であり、換言すれば、交直変換器を構成する素子の通電電流及び通電時間という２つのパラメータにより、断続的に、交直変換器を構成する素子の損失Ｌを計算する手段といえ、精度は多少低下するが、演算量が少ないという特徴があり、効果的に交直変換器を構成する素子の能力を使いきれる。

第３の温度監視手段は、交直変換器を構成する素子（例えば半導体素子）の通電時間（通電時間Ｔ３と記す）と予め設定した単位時間あたりの素子の損失値（損失値Ｌ１と記す）と、により、交直変換器を構成する素子の損失Ｌを計算する手段である（損失値固定演算法とよぶ）。この損失値固定演算法は、単位時間あたりの素子の損失を固定値にしているため、精度は上記第１及び第２の温度監視手段に比べ低下するが、演算量が最も少ない。尚、半導体素子の熱耐量を監視する手段は、電気鉄道用途でＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）の保護のために採用されている。

本発明の多重雷対策機能付き瞬低補償システムは、負荷平準化機能及び多重雷瞬低対策機能を有するものであって、以下のように運転される。図１に示される多重雷対策機能付き瞬低補償システム１０により説明する。

常時は、図示しない負荷２の変動に伴い二次電池３が交直変換器４を介して需要家系統１との間で給電（放電）乃至充電を行う。この動作により商用電源８側からみた負荷変動、即ち、負荷２と二次電池３相当の負荷（放電なら負荷としてマイナス、充電なら負荷としてプラス）との合計負荷の変動が抑えられる。

そして、商用電源８側に瞬低が発生したときは、スイッチ４１が需要家系統１を瞬時に切離するとともに、二次電池３が交直変換器４を介して負荷２へ給電を行う。給電は概ね定格の３倍程度出力で行われるが、温度監視手段７により交直変換器４の素子（例えば半導体素子）の温度を監視しているので、素子が破壊されることなく、且つ、瞬低補償機能を発揮した後に、冷却のため一定時間動作を停止させることも、殆どない。従って、短時間に連続的に生じる瞬低に対し、その度に補償することが可能である。

図４は、瞬低が発生したときに、多重雷対策機能付き瞬低補償システム１０が瞬低を補償する様子を表す説明図であり、交直変換器４の素子の熱容量が変化する様子の一例を示す図である。図４の縦軸に示される熱容量は、交直変換器４の素子の温度裕度を示している。最初の瞬低３６ａが生じると、その補償をすべく二次電池３から交直変換器４を介し負荷２へ放電される。図４において時間ｔａが経過したときは、交直変換器４の素子の全熱容量が使いきられ、瞬低の補償が終了するときである。この後、温度監視手段を有しない従来のシステムでは、交直変換器４の素子を冷却するため、一定の時間ｔｃが経過する前は次の瞬低に対応出来なかった。本発明によれば、交直変換器４の素子の温度監視手段７を有しているので、素子の残存熱容量が把握出来、時間ｔａが経過した後であって時間ｔｃが経過する前に生じる瞬低に備えることが出来る。図４における時間ｔｂは、瞬低３６ａの後に生じた新たな瞬低３６ｂに対し補償すべく二次電池３から交直変換器４を介し負荷２へ放電した時間を示している。

尚、交直変換器の素子が瞬低を補償し得る時間は、補償時の負荷の大きさ、即ち、瞬低補償システムの出力により変わる。出力と補償可能時間との関係の一例を図５に示す。図５は、負荷平準化機能を発揮する常時の定格出力が１０００ｋＶＡである多重雷対策機能付き瞬低補償システムにおける瞬低補償時の出力（ｋＶＡ）即ち負荷の大きさ、と補償可能時間（ｓｅｃ）との関係を示すグラフである。図５で示されるように、定格の概ね３倍の出力では十数秒程度の補償が可能であり、補償にかかる出力が小さければ、連続して長時間の補償が可能である。

次に、図６は、本発明の多重雷対策機能付き瞬低補償システムの他の実施態様を示す構成図である。本発明に係る多重雷対策機能付き瞬低補償システム６０は、図示しない商用電源８と負荷２とを結ぶ需要家系統１に挿入されている。

多重雷対策機能付き瞬低補償システム６０は、商用電源８と負荷２とを接続・切離するスイッチ４１と、その負荷２側に接続される二次電池を有し、その二次電池としてナトリウム−硫黄電池１３を用い、需要家系統１とナトリウム−硫黄電池１３との間に変圧器９と交直変換器４とを備える。そして、ナトリウム−硫黄電池１３と交直変換器４との間に双方向変換機能を備える直流チョッパ５を有し、且つ、交直変換器４に対し、そのナトリウム−硫黄電池１３と直流チョッパ５とからなる電源ユニット１１が、複数（ｎ系列）個、並列に接続されてなるシステムである。複数の電源ユニット１１を並列に接続することにより必要な電池（電源）容量が確保出来、需要家系統１に接続された負荷２対し、所望の電力を供給し得る。交直変換器４は素子（例えば半導体素子）を構成要素とし、その素子の温度を監視する温度監視手段７が備わる。

そして、複数の電源ユニット１１を並列に接続することから、予備系列を設ける等の冗長性を保つシステム構築が容易であり、電源ユニット故障発生時に、その予備系列に切り替えられるようにする等の自動制御を行えば、システムの信頼性を、より向上し得る。

多重雷対策機能付き瞬低補償システム６０では、電源ユニット１１において、ナトリウム−硫黄電池１３の直流電力としての出力が直流チョッパ５により一定電圧に制御され、電源ユニット１１としての出力電圧は一定に保たれ安定している。従って、例えば商用電源８（電力供給系統）において多重雷に起因して瞬低が生じたときに、これを補償するために、定格出力の数倍、例えば３倍以上の電流出力を急に出力しても、電源ユニット端において電圧降下を生じることがなく、負荷２には安定した電力が供給され得る。補償時の出力を定格の何倍とするかについては、負荷２の特性及び種類により決定することが出来るが、多重雷対策機能付き瞬低補償システム６０によれば、補償出力として定格出力の１〜８倍程度を出すことが可能である。

一般に、ナトリウム−硫黄電池は、例えば充電末時と放電末時の電圧を比較すると２．５倍程度の開きがあり電池電圧の変化幅が大きい。従って、複数のナトリウム−硫黄電池１３の出力を交直変換器４に入力するシステムの場合には、交直変換器４の容量を大きくする必要があり、それは通常の容量利用率が低くなるという問題につながるが、多重雷対策機能付き瞬低補償システム６０では、電源ユニット１１において、ナトリウム−硫黄電池１３の直流電力としての出力が直流チョッパ５により一定電圧に制御され、電源ユニット１１としての出力電圧は一定に保たれ安定していることから、交直変換器４の容量をより小さく出来、交直変換器４の容量利用率を高くすることが可能である。

多重雷対策機能付き瞬低補償システム６０においては、複数のナトリウム−硫黄電池１３が、直接、接続されておらず、直流チョッパ５で直流電圧一定制御を行っているため、個々のナトリウム−硫黄電池１３の出力電流にバラツキがあっても分流、横流等が生じない。尚且つ、あるナトリウム−硫黄電池１３が故障した場合に、そのナトリウム−硫黄電池１３に接続された直流チョッパ５停止で故障電池を切り離せるため、当該電池の保護、及び、冗長設計が容易である。従って、仮に１基のナトリウム−硫黄電池１３に問題が発生しても電力供給先に与える影響は小さく、長期にわたり信頼性の高い運転を継続することが可能である。

双方向変換機能を有する直流チョッパ５は、電流及び電圧の極性が変わっても対応可能なチョッパであれば限定されるものではない。直流チョッパ５は、一般に、主に半導体素子、例えばトランジスタ（ＩＧＢＴ含む）、サイリスタ（ＧＴＯ含む）、ダイオード、等により構成される。

多重雷対策機能付き瞬低補償システム６０は、図１に示した多重雷対策機能付き瞬低補償システム１０と同様に、常時は、負荷平準化機能を発揮する。即ち、負荷２における電力需要のピーク時間帯（例えば昼間）には放電を行い、オフピーク時間帯（例えば夜間）には充電を行い、この充放電を繰り返す運転を行う。このような運転により、例えば商用電源８側からみた昼間及び夜間における負荷変動を抑制し、より平準化する結果、商用電源８にかかる電力供給設備の稼働率を向上させる。

そして、瞬低が発生したときは、需要家系統１に挿入され設けられるスイッチ４１が、商用電源８を瞬時に切離するとともに、ナトリウム−硫黄電池１３が直流チョッパ５及び交直変換器４を介して負荷２へ給電を行う。既に述べたように、ナトリウム−硫黄電池１３の直流電力としての出力は直流チョッパ５により一定電圧に制御され出力電圧が一定に保たれるので、瞬低補償のための出力を概ね定格の３〜８倍程度まで高めることが出来る。又、このような高い出力で給電（放電）しても、温度監視手段７により交直変換器４の素子の温度が監視されているので、その素子が破壊されることがない。又、瞬低補償機能を発揮した後に、冷却のため一定時間動作を停止させることも、殆どない。従って、短時間に連続的に生じる瞬低に対しても、その度に補償することが可能である。

図７（ａ）〜図７（ｄ）は、多重雷対策機能付き瞬低補償システム６０による瞬低補償の一例を示す説明図であり、横軸は経過時間（ｓｅｃ）、縦軸は、図７（ａ）は受電電圧（Ｖ）（商用電源８の電圧）、図７（ｂ）は受電電圧３相瞬時平均値（Ｖ）、図７（ｃ）は負荷電圧（Ｖ）（負荷２における電圧）、図７（ｄ）は負荷電圧３相瞬時平均値（Ｖ）、をそれぞれ表す。図７（ａ）〜図７（ｄ）において矢印で示される丸囲い部分は、瞬低が生じた時間帯である。図７（ａ）、図７（ｂ）で示される通り、商用電源８側（受電側）において瞬低が生じているが、多重雷対策機能付き瞬低補償システム６０により補償され、図７（ｃ）、図７（ｄ）に示される通り、負荷２において殆ど影響が生じない。図７（ｄ）で示される電圧低下時間は僅かなμｓｅｃオーダーの時間である。

本発明の多重雷対策機能付き瞬低補償システムは、例えばコンピュータシステムと通信ネットワークを用いたオンラインシステムで重要な生産設備等が制御・稼動される半導体工場や、その他、工場、研究所、オフィスビル等の瞬低補償システムとして好適である。

本発明の多重雷対策機能付き瞬低補償システムの一実施形態を示す構成図である。 従来の瞬低補償装置の一例を示す構成図である。 商用電源側の系統の一例を示す説明図である。 瞬低が発生したときに図１に示す本発明の多重雷対策機能付き瞬低補償システムが瞬低を補償する様子を表す説明図であり、交直変換器の素子の熱容量が変化する様子の一例を示すグラフである。 本発明の多重雷対策機能付き瞬低補償システムにおける出力と補償可能時間との関係を示すグラフである。 本発明の多重雷対策機能付き瞬低補償システムの他の実施形態を示す構成図である。 図６に示す本発明の多重雷対策機能付き瞬低補償システムの瞬低補償の一例を表す説明図である。

符号の説明

１，１０１…需要家系統、２…負荷、３…二次電池、４，６４…交直変換器、５…直流チョッパ、７…温度監視手段、８…商用電源、９…変圧器、１０，６０…多重雷対策機能付き瞬低補償システム、１１…電源ユニット、１３…ナトリウム−硫黄電池、２０…瞬低補償装置、３１…送電線、３３…変電所、３４…雷雲、３５…雷、３６ａ，３６ｂ…瞬低、４１，６２…スイッチ、６３…エネルギー貯蔵源。

Claims (9)

1. 商用電源と前記商用電源に接続された負荷とを結ぶ需要家系統に設けられる常時商用給電式の瞬低補償システムであって、
   半導体素子を構成要素とし前記需要家系統に挿入されて前記商用電源と前記負荷とを接続・切離するスイッチと、前記スイッチより前記需要家系統の前記負荷側に接続される電力貯蔵可能な二次電池と、前記二次電池と前記需要家系統との間に備わる交直変換器と、前記交直変換器を構成する素子の温度監視手段と、を具備し、
   常時は、前記負荷の変動に伴い前記二次電池が前記需要家系統との間で前記交直変換器を介し給電乃至充電を行って前記商用電源側からみた電力使用量を平準化し、前記商用電源側における瞬低の発生時は、前記スイッチが前記商用電源と前記負荷とを瞬時に切離するとともに前記温度監視手段により前記交直変換器を構成する素子の温度を監視しつつ前記二次電池が前記交直変換器を介して前記負荷へ給電を行い、多重雷に起因する瞬低を補償可能とする多重雷対策機能付き瞬低補償システム。
2. 定格電圧が６００Ｖ以上である請求項１に記載の多重雷対策機能付き瞬低補償システム。
3. 瞬低補償出力が１ＭＶＡ以上である請求項１又は２に記載の多重雷対策機能付き瞬低補償システム。
4. 前記温度監視手段が、前記交直変換器を構成する素子の通電電流及び通電時間により、連続的に、交直変換器を構成する素子の損失を計算する手段である請求項１〜３の何れか一項に記載の多重雷対策機能付き瞬低補償システム。
5. 前記温度監視手段が、所定の通電時間毎に検出した前記交直変換器を構成する素子の通電電流により、交直変換器を構成する素子の損失を計算する手段である請求項１〜３の何れか一項に記載の多重雷対策機能付き瞬低補償システム。
6. 前記温度監視手段が、前記交直変換器を構成する素子の通電時間と、予め設定した単位時間あたりの前記素子の損失値により、交直変換器を構成する素子の損失を計算する手段である請求項１〜３の何れか一項に記載の多重雷対策機能付き瞬低補償システム。
7. 交直変換器を構成する前記素子が、半導体素子である請求項１〜６の何れか一項に記載の多重雷対策機能付き瞬低補償システム。
8. 前記二次電池がナトリウム−硫黄電池であり、そのナトリウム−硫黄電池と前記交直変換器との間に、双方向変換機能を有する直流チョッパを具備する請求項１〜７の何れか一項に記載の多重雷対策機能付き瞬低補償システム。
9. 前記瞬低の発生時に、定格出力の１〜８倍の補償出力を出すことが可能な請求項１〜８の何れか一項に記載の多重雷対策機能付き瞬低補償システム。

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