JP2006246648A - 電源系統連系システム - Google Patents

Abstract

【課題】非常用電源で発電された電力が常用電源側に逆流することを防止し、常用電源と非常用電源との系統連系を実現し、効率的な発電設備の運用を実現する。
【解決手段】本発明の一態様に係る電源系統連系装置６は、常用電源１からの交流電力を直流電力に変換し、逆の変換を行わない手段１９と、この直流電力を交流電力に変換し、変換後の交流電力を負荷１０に供給する手段２０と、常用電源１に停電が発生したか判断する手段１３ａと、常用電源１に停電が発生した場合に、非常用電源２を起動させ、非常用電源２からの電力を負荷１０に供給させる手段１３ｂと、常用電源１から負荷１０への電力が不足している場合に、非常用電源２を起動させる手段１３ｆと、常用電源１から負荷１０に供給される電力と非常用電源２から負荷１０に供給される電力とを同期させる手段１５と、非常用電源２からの同期後の電力を負荷１０に供給させる手段１３ｇとを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の電源の系統連系を行う電源系統連系システムに関する。

例えば、商用電源などの常用電源と非常用発電機などの非常用電源とについては、常用電源と非常用電源とを同時並列運転（連系運転）しないとするインターロックが義務付けられている。このインターロックを実現するために、常用電源と非常用電源とは、系統連系しないとする規則が定められている。

常用電源が正常の場合、例えば消火栓ポンプなどの重要負荷は、常用電源から電力供給を受ける。

従来の常用電源から非常用電源への切り替え方法では、常用電源について停電が発生した場合、まず、常用電源と重要負荷との間に設置されている連絡遮断機がＯＦＦ状態とされる。

その後、非常用電源と重要負荷との間に設置されている連絡遮断機がＯＮ状態とされ、非常用電源からの電力が重要負荷に供給される。

このように常用電源から非常用電源への切り替えを行うことで、インターロックが実現されている。

特開２００２−３５４６６６号（特許文献１）では、発電設備を配電線に系統連系する場合に、系統保護リレー装置の設置を不要にする装置について開示されている。
特開２００２−３５４６６６号公報

上記のような従来の常用電源から非常用電源への切り替え方法では、常用電源から供給される電力が遮断された後でなければ、非常用電源から重要電源に電力が供給されていない。

したがって、例えば、夜間などの使用電力量の少ない時間帯を基準に電力会社との契約電力を設定し、昼間などの使用電力量の多い時間帯においては、常用電源と非常用電源とを組み合わせて使用することで、使用電力のピーク時においても十分な電力を供給するなどの運用は、行われない。

すなわち、電力会社との契約電力を低くして電気料金の節約を図り、使用電力量の多い時間帯に非常用電源を運転させてピークカットを行うことは、実施されていない。

従来において、ピークカットを行う場合には、上記特許文献１のように、非常用電源を用いるのではなく、常用発電可能な機能を備えた発電設備と系統連系保護リレー装置とを備える必要がある。

このため、ピークカットを行うためには、上記のような常用発電可能な機能を備えた発電設備及び系統連系保護リレー装置などの装置を追加する必要があり、経済的な負担が生じる。

上記のような従来の常用電源から非常用電源への切り替え方法では、非常用電源の使用頻度が少なくなり、非常用電源の有効活用は困難である。

本発明は、以上のような実情に鑑みてなされたもので、非常用電源で発電された電力が常用電源側に逆流しないように、常用電源と非常用電源との間に非可逆型コンバータを設置し、常用電源と非常用電源との系統連系を実現し、効率的な発電設備の運用を実現させる電源系統連系装置を提供することを目的とする。

本発明を実現するにあたって講じた具体的手段について以下に説明する。

上記課題は、常用電源からの交流電力を直流電力に変換し、この逆の変換を行わない非可逆型の第１電力変換手段と、直流電力を交流電力に変換し、変換後の交流電力を負荷に供給する第２電力変換手段と、常用電源に停電が発生したか否かを判断する停電判断手段と、常用電源に停電が発生した場合に、非常用電源を起動させ、非常用電源からの電力を負荷に供給させる第１起動手段と、常用電源から負荷に供給される電力が負荷にとって不足している状態か否か判断する不足判断手段と、常用電源から負荷に供給される電力が不足している状態と判断された場合に、非常用電源を起動させる第２起動手段と、常用電源から負荷に供給される電力と非常用電源から負荷に供給される電力とを同期させる同期検定手段と、非常用電源からの同期後の電力を負荷に供給させる供給指令手段とを具備する電源系統連系装置により、解決される。

本発明においては、非常用電源で発電された電力が常用電源側に逆流することを防止し、常用電源と非常用電源との系統連系を実現し、効率的な発電設備の運用を実現できる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の説明において、同一の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

（第１の実施の形態）
本実施の形態では、非常用電源を常用電源に系統連系する電源系統連系装置について説明する。

図１は、本実施の形態に係る電源系統連系装置の一例を示すブロック図である。

本実施の形態において、常用電源は商用電源１とし、非常用電源は非常用発電機２とする。

この図１の発電設備において、商用電源１は、変圧器３、第１母線４、第２母線５経由で、電源系統連系装置６と接続されている。変圧器２次遮断器７は、第１母線４における遮断を行う。母線連絡遮断器８は、第２母線５における遮断を行う。

また、電源系統連系装置６は、第３母線９経由で、重要負荷１０と接続されている。重要負荷１０としては、例えば商用電源の停電時においても継続して電力供給を必要とする計算機、非常電灯、消火栓ポンプなどがある。

第３母線９には、変流器１１と第１計器用変成器１２とが備えられる。変流器１１は、例えば第３母線９の電流値などを示す信号を電源系統連系装置６の電力制御装置１３に提供する。第１計器用変成器１２は、例えば、第３母線９の電圧値などを示す信号を電源系統連系装置６の不足電圧リレー１４、電力制御装置１３、同期検定装置１５に提供する。

非常用発電機２は、第４母線１６経由で、重要負荷１０と接続されている。非常用発電機遮断機１７は、第４母線１６における遮断を行う。

第４母線１６には、第２計器用変成器１８が備えられる。第２計器用変成器１８は、例えば、第４母線１６の電圧値などを示す信号を電源系統連系装置６の同期検定装置１５に提供する。

この図１において、商用電源１の正常時には、変圧器２次遮断器７はＯＮ、母線連絡遮断器８はＯＮ、非常用発電機遮断器１７はＯＦＦの状態とされ、商用電源１から変圧器３、第１母線４、第２母線５、電源系統連系装置６、第３母線９経由で重要負荷１０に電力が供給される。

電源系統連系装置６は、第２母線５と第３母線９との間に設置される。電源系統連系装置６は、交直電力変換部（コンバータ：ＡＣ／ＤＣ変換部）１９、直交電力変換部（インバータ：ＤＣ／ＡＣ変換部）２０、不足電圧リレー１４、電力制御装置１３、同期検定装置（ＡＳＤ）１５、タイマ２１を具備する。電源系統連系装置６において、交直電力変換部１９と直交電力変換部２０との間は、直流母線２２で接続されている。

すなわち、電源系統連系装置６は、商用電源１の交流電力を直流電力に変換する非可逆型の交直電力変換部１９と、この直流電力をさらに交流電力に変換する直交電力変換部２０と、非常用発電機２の発電電力を制御する電力制御装置１３と、非常用発電機遮断器１７を同期投入する同期検定装置１５とを含む。電源系統連系装置６は、商用電源１と接続され、また非常用発電機２と接続される。

電源系統連系装置６は、昼間などの重要負荷の使用電力量の多い時間帯に非常用発電機２を運転させ、非常用発電機２を同期併入した後、所定の負荷分担を行い、電力の供給を行う。

交直電力変換部１９は、商用電源１から変圧器３、第１母線４、第２母線５経由で、交流電力を受け付ける。

また、交直電力変換部１９は、この受け付けた交流電流を直流電力に変換し、かつ直流電力から交流電力への変換（逆変換）はできない非可逆型とする。

さらに、交直電力変換部１９は、変換後の直流電力を直流母線２２経由で直交電力変換部２０に供給する。

直交電力変換部２０は、交直電力変換部１９から直流母線２２経由で直流電力を受け付け、この直流電流を交流電力変換し、第３母線９経由で重要負荷１０に供給する。

不足電圧リレー１４は、第１計器用変圧器１２からの信号の示す電圧値に基づいて商用電源１の停電を検出し、停電が検出された場合に停電信号を、停電が検出されていない場合に正常信号を電力制御装置１３に提供する。

電力制御装置１３は、停電判断機能１３ａ、非常時起動機能１３ｂ、第２母線遮断機能１３ｃ、第４母線接続機能１３ｄを具備する。

停電判断機能１３ａは、商用電源１がなんらかの理由で停電した旨を示す停電信号を不足電圧リレー１４から受け付けた場合に、タイマ２１によりこの停電状態が一定時間継続したか判断する。

非常時起動機能１３ｂは、停電状態が一定時間継続した場合に、非常用発電機２を起動させる。

第２母線遮断機能１３ｃは、停電状態が一定時間継続した場合に、母線連絡遮断器８をＯＦＦ状態とする。

第４母線接続機能１３ｄは、母線連絡遮断器８をＯＦＦした後さらにタイマ２１を用いて所定時間経過が検出され、母線連絡遮断器８のＯＦＦ状態とのアンド条件を満たすように非常用発電機遮断器１７をＯＮ状態とする。

これにより、商用電源１の停電発生時に、非常用発電機２からの電力を重要負荷１０に供給される。

さらに、電力制御装置１３は、電力不足判断機能１３ｅ、不足時起動機能１３ｆ、供給指令機能１３ｇを具備する。

電力不足判断機能１３ｅは、商用電源１が正常である旨を示す正常信号を不足電圧リレー１４から受け付けている場合に、変流器１１からの信号と第１計器用変成器１２からの信号とに基づいて、重要負荷１０の使用電力量が所定の電力量（例えば、契約電力の最大電力量）を超えるか否か判断する。

すなわち、この電力不足判断機能１３ｅは、商用電源１から重要負荷１０に供給される電力量がこの重要負荷１０にとって不足か否か判断する。

不足時起動機能１３ｆは、重要負荷１０の使用電力量が所定の電力量を超えた場合に、非常用発電機２を起動させる。

なお、不足時起動機能１３ｆは、タイマ２１を用いて重要負荷１０の使用電力量が上昇する時間帯（例えば昼間など）になったことを検出し、この時間帯において非常用発電機２を起動させるとしてもよい。

非常用発電機２が電圧確立すると、同期検定装置１５は、第１計器用変成器１２からの信号及び第２計器用変成器１８からの信号に基づいて、第３母線９における商用電源１からの電力と第４母線１６における非常用発電機２からの電力とが同期するように非常用発電機２の電圧、周波数、位相を調整する。

そして、同期検定装置１５は、第３母線９における商用電源１からの電力と第４母線１６における非常用発電機２からの電力とが同期した場合に、非常用発電機遮断器１７をＯＮ状態とする。これにより、非常用発電機遮断器１７が同期投入される。

非常用発電機２の同期併入後においても、まだ非常用発電機２は重要負荷１０に電力を供給しておらず、無負荷で系統連系している状態である。

供給指令機能１３ｇは、重要負荷１０の使用電力量が所定の電力量を超えた場合に、非常用発電機２のガバナー回路に負荷取りする旨の信号を提供する。これにより、非常用発電機２から重要負荷１０への電力の供給が開始される。

なお、供給指令機能１３ｇは、タイマ２１を用いて重要負荷１０の使用電力量が上昇する時間帯（例えば昼間など）であることを検出し、さらに重要負荷１０の使用電力量が所定の電力量を超えた場合に、非常用発電機２のガバナー回路に負荷取りする旨の信号を提供するとしてもよい。

図２は、重要負荷１０の一日の電力負荷曲線の例を示すグラフである。

重要負荷１０については、昼間の時間帯（例えば９：００〜１７：００）において使用電力量が大きくなる。

電源系統連系装置６は、使用電力量の大きい時間帯になると、その使用電力量を検出し、非常用発電機２による発電を行わせる。

図３は、停電発生時における発電設備の動作の一例を示すフロー図である。

ステップＳ１において、不足電圧リレー１４は、商用電源１の停電を検出する。

ステップＳ２において、電源系統連系装置６は、タイマ２１を用いて一定時間の停電を確認する。

一定時間の停電が確認された後、ステップＳ３において、電源系統連系装置６は、非常用発電機２を起動させ、ステップＳ４において、非常用発電機２は、電圧確立する。

上記ステップＳ３，Ｓ４に併せて、ステップＳ５において、電源系統連系装置６は、母線連絡遮断器８をＯＦＦ状態にする。

さらに、一定時間経過すると、ステップＳ６において、電源系統連系装置６は、母線連絡遮断器８のＯＦＦ状態とのアンド条件をもって非常用発電機遮断器１７をＯＮ状態とする。

ステップＳ７において、非常用発電機２は、重要負荷１０に電力を供給する。

図４は、重要負荷１０の使用電力量増加時の発電設備の動作の一例を示すフローチャートである。

ステップＴ１において、商用電源１は、正常に電力を重要負荷１０に供給する。

ステップＴ２において、電源系統連系装置６は、変流器１１からの信号及び第１計器用変成器１２からの信号に基づいて重要負荷１０の使用電力量が一定以上に増加したことを検出する。または、電源系統連系装置６は、タイマ２１を用いて重要負荷１０の使用電力量が増加する時間帯になったことを検出する。

重要負荷１０の増加の検出信号が確認されると、ステップＴ３において、電源系統連系装置６は、非常用発電機２を起動させる。

ステップＴ４において、非常用発電機２は、電圧確立する。

ステップＴ５において、同期検定装置１５は、第１計器用変成器１２からの電圧信号と第２計器用変成器１８からの電圧信号とに基づいて、非常用発電機２の電圧、周波数、位相を調整し、第３母線９における商用電源１からの電力と第４母線１６における非常用発電機２からの電力との同期を図る。

ステップＴ６において、同期検定装置１５は、非常用発電機遮断器１７を同期投入させる。これにより、非常用発電機２が同期併入される。

非常用発電機２の同期併入後、ステップＴ７において、非常用発電機２は、重要負荷１０に電力を供給していない無負荷で系統連系している状態である。

ステップＴ８において、電源系統連系装置６は、使用電力量の増加または使用電力量の増加する時間帯となった場合に、非常用発電機２のガバナー回路に負荷取りする旨の信号を提供する。

ステップＴ９において、非常用発電機２は、負荷取りする旨の信号にしたがって発電を行い、重要負荷１０に電力を供給する。

この結果、例えば昼間において商用電源１から重要負荷１０に供給される電力量を低減可能なピークカットという状態を実現できる。

以上説明した本実施の形態では、商用電源１からの交流電力を直流電力に変換しかつその逆変換は行わない非可逆型の交直電力変換部１９と、直流電力をさらに交流電力に変換する直交電力変換部２０とが備えられる。直交電力変換部２０による電力変換後の交流電力は、重要負荷１０に供給される。

本実施の形態に係る電源系統連系装置６は、非可逆型の交直電力変換部１９と直交電力変換部２０とを具備しているため、非常用発電機２からの電力が商用電源１側に逆流することがない。

本実施の形態において、重要負荷１０などの負荷装置の使用電力量が多い場合、直交電力変換部２０による電力変換後の商用電源１からの交流電力と非常用発電機２からの交流電力とが合成され、合成後の交流電力が負荷装置に供給される。

したがって、本実施の形態では、負荷装置の使用電力量が増加した場合であっても十分な電力を負荷装置に供給することができ、従来の系統連系と同等以上の電源の信頼性を得ることができ、安定した電力供給を行うことができる。

また、負荷装置の使用電力量が少なく、非常用発電機２から供給される電力のみで十分な場合、この非常用発電機２から商用電源１側に電力が向かう逆潮流が交直電力変換部１９で阻止され、逆潮流を防止できる。

経済産業省の資源エネルギー庁編の系統連系ガイドラインでは、系統連系するための義務が定められている。このガイドラインでは、発電電圧の異常時の保護、系統短絡保護、系統地絡保護、単独運転防止、自動負荷制御・発電抑制、線路無電圧確認、常時電圧変動対策、短絡容量対策に関する系統保護リレー装置の設置が必要とされている。

しかしながら、本実施の形態の電源系統連系装置６を用いることで、この系統保護リレー装置の設置を省略させても同様の信頼性により系統連系を行うことができ、系統保護リレー装置の設置に必要となるコストを削減できる。

また、従来、ユーザは、系統保護リレー装置を導入する場合に、この系統保護リレー装置とその設定とについて電力会社と技術的な協議を行う必要がある。しかしながら、本実施の形態に係る電源系統連系装置６を用いる場合、ユーザは、電力会社との技術的な協議をする必要がなくなるため、系統連系を実現するための時間と労力を軽減させることができる。ユーザは専門知識がない場合であっても系統連系を実現させることができる。

本実施の形態では、商用電源１の異常発生時のみではなく、重要負荷１０の使用電力量増加時においても非常用発電機２が利用されるため、非常用発電機２を効率的に用いることができる。

本実施の形態において、ユーザは、電力会社との契約電力を低くして電気料金の節約を図ることができ、使用電力量の多い時間帯に非常用発電機２を運転させてピークカットを行うことができる。

（第２の実施の形態）
本実施の形態では、上記第１の実施の形態に係る電源系統連系装置６の変形例について説明する。

図５は、本実施の形態に係る電源系統連系装置の一例を示すブロック図である。

この電源系統連系装置２３は、上記第１の実施の形態に係る電源系統連系装置６とほぼ同様であるが、交直電力変換部１９と直交電力変換部２０との間の直流母線２２に充放電が可能な二次電池２４が接続されている。

二次電池２４は、商用電源１から重要負荷１０に電力が供給されている場合に、直流電力を充電する。そして、二次電池２４は、商用電源１から重要負荷１０へ供給される電力量が減少した場合に、直流電力を放電する。放電された直流電力は、直交電力変換部２０によって交流電力に変換され、重要負荷１０に供給される。

例えば、商用電源１と非常用発電機２との連系時において、商用電源１が停電となった場合、二次電池２４は、一定時間電力供給が可能な無停電電源装置として機能し、商用電源１の代わりに、重要負荷１０に対して電力を供給する。

これにより、重要負荷１０に供給される電力が不足することを一層防止することができ、電源の信頼性を向上させることができる。

上記各実施の形態において、各構成要素は同様の動作を実現可能であれば配置を変更させてもよく、また各構成要素を自由に組み合わせてもよく、各構成要素を自由に分割してもよく、いくつかの構成要素を削除してもよい。

本発明は、常用電源と非常用電源との系統連系を行う分野に有効である。

本発明の第１の実施の形態に係る電源系統連系装置の一例を示すブロック図。 同実施の形態に係る重要負荷の一日の電力負荷曲線の例を示すグラフ。 同実施の形態に係る停電発生時における発電設備の動作の一例を示すフロー図。 同実施の形態に係る重要負荷の使用電力量増加時の発電設備の動作の一例を示すフローチャート。 本発明の第２の実施の形態に係る電源系統連系装置の一例を示すブロック図。

符号の説明

１…商用電源、２…非常用発電機、３…変圧器、４…第１母線、５…第２母線、６，２３…電源系統連系装置、７…変圧器２次遮断器、８…母線連絡遮断器、９…第３母線、１０…重要負荷、１１…変流器、１２…第１計器用変成器、１３…電力制御装置、１３ａ…停電判断機能、１３ｂ…非常時起動機能、１３ｃ…第２母線遮断機能、１３ｄ…第４母線接続機能、１３ｅ…電力不足判断機能、１３ｆ…不足時起動機能、１３ｇ…供給指令機能、１４…不足電圧リレー、１５…同期検定装置、１６…第４母線、１７…非常用発電機遮断器、１８…第２計器用変成器、１９…交直電力変換部、２０…直交電力変換部、２１…タイマ、２２…直流母線、２４…二次電池

Claims (6)

1. 常用電源からの交流電力を直流電力に変換し、この逆の変換を行わない非可逆型の第１電力変換手段と、
   前記直流電力を交流電力に変換し、変換後の交流電力を負荷に供給する第２電力変換手段と、
   前記常用電源に停電が発生したか否かを判断する停電判断手段と、
   前記常用電源に停電が発生した場合に、非常用電源を起動させ、前記非常用電源からの電力を前記負荷に供給させる第１起動手段と、
   前記常用電源から前記負荷に供給される電力が前記負荷にとって不足している状態か否か判断する不足判断手段と、
   前記常用電源から前記負荷に供給される電力が不足している状態と判断された場合に、前記非常用電源を起動させる第２起動手段と、
   前記常用電源から前記負荷に供給される電力と前記非常用電源から前記負荷に供給される電力とを同期させる同期検定手段と、
   前記非常用電源からの同期後の電力を前記負荷に供給させる供給指令手段と
   を具備する電源系統連系装置。
2. 請求項１記載の電源系統連系装置において、
   前記常用電源と前記負荷との間であり、前記常用電源と前記非常用電源との間に、設置されることを特徴とする電源系統連系装置。
3. 請求項１又は請求項２記載の電源系統連系装置において、
   前記第１電力変換手段と前記第２電力変換手段との間に、前記常用電源に停電が発生していない場合に、前記第１電力変換手段によって変換された直流電力を充電し、前記常用電源に停電が発生した場合に、充電されている直流電力を放電する手段をさらに具備することを特徴とする電源系統連系装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電源系統連系装置において、
   前記不足判断手段は、前記負荷の使用電力量が設定値以上となった場合に、前記常用電源から前記負荷に供給される電力が不足している状態と判断する
   ことを特徴とする電源系統連系装置。
5. 請求項４記載の電源系統連系装置において、
   前記設定値は、電力会社との契約電力に基づいて設定されていることを特徴とする電源系統連系装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の電源系統連系装置において、
   前記不足判断手段は、所定の時間帯になったら前記常用電源から前記負荷に供給される電力が不足している状態と判断する
   ことを特徴とする電源系統連系装置。

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