JP2009153339A

JP2009153339A - 直流配電システム

Info

Publication number: JP2009153339A
Application number: JP2007330911A
Authority: JP
Inventors: Takuya Kagawa; 卓也香川; Shinichiro Okamoto; 信一郎岡本; Hiroaki Koshin; 博昭小新; Akira Yoshitake; 晃吉武
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-07-09

Abstract

【課題】瞬時停電期間が生じることのない直流配電システムを提供する。
【解決手段】制御部２３は、放電部２２の異常を検出した場合、スイッチ素子Ｑ２をオフして放電部２２による二次電池２０の放電を停止する。ここで、電力系統ＡＣが停電した場合、交流／直流変換装置１の出力電圧レベルが放電部２２の出力電圧レベルに対してダイオードＤの順方向電圧降下分（シリコンダイオードの場合で０．６〜０．７ボルト）を下回ると直ちにダイオードＤが導通して放電部２２から負荷Ｌへの給電が行われる。故に、異常が生じていない限り、電力系統ＡＣの非停電時にも分散電源２から給電可能としているので、従来例のように停電時にだけ分散電源２から給電する場合に生じていた瞬時停電期間が生じない。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力系統から供給される交流電力を直流電力に変換して配電する直流配電システムに関するものである。

従来、電力系統（商用電力系統）から供給される交流電力を交流／直流変換した直流電力を屋内に配電する直流配電システムが提供されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載されている直流配電システムでは、交流／直流変換装置（ＡＣ／ＤＣコンバータ）や二次電池の他、交流／直流変換装置又は二次電池から出力される直流電圧を所望の電圧レベルの直流電圧に変換する直流／直流変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を、分岐開閉器と同形態の絶縁性容器に収納し、停電検出手段によって電力系統の停電を検出したときに二次電池から直流電力を給電するようにしたものが分電盤に内装されていた。
特開２００５−２２４０６６号公報（図６、段落００２８）

しかしながら、上記従来例では非停電時に二次電池を常時充電し、停電検出手段が停電を検出したら充電を停止して二次電池の放電を開始するため、電力系統が停電してから二次電池の放電が始まるまでの間に僅かながら直流電力の給電が停止してしまう期間（以下、「瞬時停電期間」という。）が生じていた。そして、このような瞬時停電期間が生じることで負荷が誤動作する虞があった。

本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、瞬時停電期間が生じることのない直流配電システムを提供することにある。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、交流の電力系統から供給される交流電力を交流／直流変換した直流電力を負荷に給電する直流電力系統と、負荷に対して直流電力系統と並列接続された分散電源とを備え、分散電源は、直流電力系統から供給される直流電力よりも電圧レベルが低い直流電力を供給する電源手段と、直流電力系統から電源手段への逆流を防ぐ整流素子と、電源手段から負荷への給電経路を開閉する切換手段と、電源手段の異常を検出する異常検出手段とを具備し、切換手段は、異常検出手段が異常を検出していなければ給電経路を閉じ、異常検出手段が異常を検出していれば給電経路を開くことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、異常検出手段が異常を検出していなければ切換手段によって給電経路が閉じているために電源手段は常に負荷への給電が可能な状態にあり、非停電時には直流電力系統の電圧レベルよりも電源手段の電圧レベルの方が低いために整流素子によって電源手段から負荷への給電が行われないが、直流電力系統が停電すると直ちに整流素子が導通して電源手段から負荷への給電が開始されるので、瞬時停電期間が生じない。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、分散電源は、二次電池からなる電源手段と、二次電池を充電する充電手段と、二次電池を放電する放電手段と、二次電池の残容量を検出する残容量検出手段とを具備し、充電手段は、残容量検出手段で検出する残容量が所定値以下まで低下したら二次電池の充電を開始するとともに停電時には二次電池の充電を行わなず、切換手段は、異常検出手段が異常を検出していなければ放電手段から負荷への給電経路を閉じ、異常検出手段が異常を検出していれば放電手段から負荷への給電経路を開くことを特徴とする。

請求項２の発明によれば、停電時には充電手段が二次電池を充電しないので、負荷に効率よく給電することができる。

本発明によれば、瞬時停電期間が生じることのない直流配電システムを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

本実施形態の直流配電システムは、図１に示すように電力系統（商用電力系統）ＡＣの交流電力を交流／直流変換装置（ＡＣ／ＤＣコンバータ）１によって直流電力に変換してなる直流電力系統と、負荷Ｌに対して直流電力系統（交流／直流変換装置１）と並列に接続された分散電源２とを備えている。

交流／直流変換装置１は、例えば、全波整流器（ダイオードブリッジ）、平滑コンデンサ、昇圧チョッパ回路を有したスイッチング電源装置からなる。但し、この種のスイッチング電源装置については従来周知であるから詳細な構成の図示並びに説明は省略する。

分散電源２は、電源手段たる二次電池２０と、二次電池２０を充電する充電部２１と、二次電池２０を放電する放電部２２と、充電部２１の入力側に設けられたスイッチ素子Ｑ１と、放電部２２の出力側に設けられたスイッチ素子Ｑ２と、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２をオン・オフ制御する制御部２３と、直流電力系統の停電を検出する停電検出部２４とを具備し、スイッチ素子Ｑ２には放電部２２への逆流を阻止するために整流素子（ダイオードＤ）が挿入されている。尚、放電部２２の出力電圧は交流／直流変換装置１の出力電圧より低いレベルに設定されており、したがって、電力系統ＡＣの非停電時にはダイオードＤが導通しないために分散電源２から負荷Ｌへの給電は行われない。

停電検出部２４は、アノードを交流／直流変換装置１の出力端に接続する向きで給電路に挿入されたダイオード２４ａと、ダイオード２４ａのアノード・カソード間の電位差を計測して電力系統ＡＣの停電を判断する出力監視部２４ｂとからなり、電力系統ＡＣが停電したときに出力監視部２４ｂから制御部２３に対して停電検出信号が出力される。但し、停電検出部２４の構成はこれに限定する趣旨ではなく、他の検出方法によって停電を検出する構成であってもよいし、さらに、交流／直流変換装置１の出力側ではなく、入力側で停電を検出するようにしても構わない。

制御部２３は、二次電池２０の残容量を検出する残容量検出機能と、放電部２２の異常（故障）を検出する異常検出機能と、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２をオン・オフ制御する切換機能とを有するものである。尚、異常検出機能は、二次電池２０を放電しているときの放電部２２の出力電圧又は出力電流を監視し、これらの値が異常な値となった場合に放電部２２の異常を検出する。但し、これらの各機能は従来周知の技術を用いて実現可能であるから、各機能を実現する詳細な構成についての図示並びに説明は省略する。

次に、制御部２３の動作を説明する。制御部２３は、二次電池２０の残容量が所定値以下まで低下したらスイッチ素子Ｑ１をオンして充電部２１に二次電池２０を充電させ、電力系統ＡＣの停電を検出したら直ちにスイッチ素子Ｑ１をオフして充電部２１による二次電池２０の充電を停止する。また制御部２３は、放電部２２の異常を検出した場合、スイッチ素子Ｑ２をオフして放電部２２から負荷Ｌへの給電経路が開かれて分散電源２からの給電が停止する。ここで、電力系統ＡＣが停電した場合、交流／直流変換装置１の出力電圧レベルが放電部２２の出力電圧レベルに対してダイオードＤの順方向電圧降下分（シリコンダイオードの場合で０．６〜０．７ボルト）を下回ると直ちにダイオードＤが導通して放電部２２から負荷Ｌへの給電が行われる。

このように本実施形態によれば、放電部２２に異常が生じていない限り、スイッチ素子Ｑ２をオンして給電経路を閉じることで電力系統ＡＣの非停電時にも分散電源２から給電可能な状態としているので、従来例のように停電時にだけ分散電源２から給電する場合に生じていた瞬時停電期間が生じないものである。しかも、電力系統ＡＣの停電時には充電部２１による二次電池２０の充電を停止するので、負荷Ｌに効率よく給電することができる。

尚、分散電源２の構成は本実施形態に限定されるものではなく、図２に示すように制御部２３及び停電検出部２４と、太陽電池や燃料電池のように発電する電源手段２５と、電源手段２５の出力電圧を直流電力系統（交流／直流変換装置１）の出力電圧よりも低い所望レベルに昇圧又は降圧する電力変換部２６とを有し、電源手段２５がスイッチ素子Ｑ２並びにダイオードＤを介して交流／直流変換装置１の出力側に並列接続されてなる分散電源２であっても構わない。

ここで、本発明の別の実施形態について、図３を参照して説明する。以下に説明する実施形態は、本発明を適用する建物として戸建て住宅を想定しているが、本発明の技術思想を集合住宅に適用することを妨げるものではない。住宅Ｈには、図３に示すように二次電池２０を有する分散電源２の他に太陽電池を有する分散電源１６１と、燃料電池を有する分散電源１６３とが交流／直流変換装置１の出力側に協調制御部１１３を介して接続されている。そして、協調制御部１１３の出力端部から分岐された配電路Ｗｄｃを通して直流機器１０２に直流電力が供給される。協調制御部１１３と直流機器１０２との間には、配電路Ｗｄｃに流れる電流を監視し、異常を検知したときに配電路Ｗｄｃ上で協調制御部１１３から直流機器１０２への給電を制限ないし遮断する直流ブレーカ１１４が設けられる。

配電路Ｗｄｃは、直流電力の給電路であるとともに通信路としても兼用されており、高周波の搬送波を用いてデータを伝送する通信信号を直流電圧に重畳することにより配電路Ｗｄｃに接続された機器間での通信を可能にしている。この技術は、交流電力を供給する電力線において交流電圧に通信信号を重畳させる電力線搬送技術と類似した技術である。

配電路Ｗｄｃは、交流／直流変換装置１を介して宅内サーバ１１６に接続される。宅内サーバ１１６は、宅内の通信網（以下、「宅内網」という）を構築する主装置であり、宅内網において直流機器１０２が構築するサブシステムなどと通信を行う。

図示例では、サブシステムとして、パーソナルコンピュータ、無線アクセスポイント、ルータ、ＩＰ電話機のような情報系の直流機器１０２からなる情報機器システムＫ１０１、照明器具のような照明系の直流機器１０２からなる照明システムＫ１０２，Ｋ１０５、来客対応や侵入者の監視などを行う直流機器１０２からなるインターホンシステムＫ１０３、火災感知器のような警報系の直流機器１０２からなる住警器システムＫ１０４などがある。各サブシステムは、自立分散システムを構成しており、サブシステム単独でも動作が可能になっている。

上述した直流ブレーカ１１４は、サブシステムに関連付けて設けられており、図示例では、情報機器システムＫ１０１、照明システムＫ１０２およびインターホンシステムＫ１０３、住警器システムＫ１０４、照明システムＫ１０５に関連付けて４つの直流ブレーカ１１４を設けている。１つの直流ブレーカ１１４に複数のサブシステムを関連付ける場合には、サブシステムごとに直流供給線路Ｗｄｃの系統を分割する接続ボックス１２１が設けられる。図示例においては、照明システムＫ１０２とインターホンシステムＫ１０３との間に接続ボックス１２１が設けられている。

情報機器システムＫ１０１としては、壁コンセントあるいは床コンセントの形態で住宅Ｈに先行配置（住宅Ｈの建築時に施工）される直流コンセント１３１に接続される直流機器１０２からなる情報機器システムＫ１０１が設けられる。

照明システムＫ１０２、Ｋ１０５としては、住宅Ｈに先行配置される照明器具（直流機器１０２）からなる照明システムＫ１０２と、天井に先行配置される引掛シーリング１３２に接続する照明器具（直流機器１０２）からなる照明システムＫ１０５とが設けられる。引掛シーリング１３２には、住宅Ｈの内装施工時に施工業者が照明器具を取り付けるか、または家人自身が照明器具を取り付ける。

照明システムＫ１０２を構成する直流機器１０２である照明器具に対する制御の指示は、赤外線リモコン装置を用いて与えるほか、配電路Ｗｄｃに接続されたスイッチ１４１から通信信号を用いて与えることができる。すなわち、スイッチ１４１は直流機器１０２とともに通信の機能を有している。また、スイッチ１４１の操作によらず、宅内網の別の直流機器１０２あるいは宅内サーバ１１６から通信信号により制御の指示がなされることもある。照明器具への指示には、点灯、消灯、調光、点滅点灯などがある。

上述した直流コンセント１３１、引掛シーリング１３２には、任意の直流機器１０２を接続することができ、接続された直流機器１０２に直流電力を出力するから、以下では直流コンセント１３１、引掛シーリング１３２を区別する必要がない場合には「直流アウトレット」と呼ぶ。

これらの直流アウトレットは、直流機器１０２に直接設けた接触子（図示せず）または接続線を介して設けた接触子（図示せず）が差し込まれる差込式の接続口が器体に開口し、接続口に差し込まれた接触子に直接接触する接触子受けが器体に保持された構造を有している。すなわち、直流アウトレットは接触式で給電を行う。直流アウトレットに接続された直流機器１０２が通信機能を有する場合には、配電路Ｗｄｃを通して通信信号を伝送することが可能になる。直流機器１０２だけではなく直流アウトレットにも通信機能が設けられている。

宅内サーバ１１６は、宅内網に接続されるだけではなく、インターネットを構築する広域網ＮＴに接続される接続口を有している。宅内サーバ１１６が広域網ＮＴに接続されている場合には、広域網ＮＴに接続されたコンピュータサーバであるセンタサーバ２００によるサービスを享受することができる。

センタサーバ２００が提供するサービスには、広域網ＮＴを通して宅内網に接続された機器（主として直流機器１０２であるが通信機能を有した他の機器も含む）の監視や制御を可能にするサービスがある。このサービスにより、パーソナルコンピュータ、インターネットＴＶ、移動体電話機などのブラウザ機能を備える通信端末（図示せず）を用いて宅内網に接続された機器の監視や制御が可能になる。

宅内サーバ１１６は、広域網ＮＴに接続されたセンタサーバ２００との間の通信と、宅内網に接続された機器との間の通信との両方の機能を備え、宅内網の機器に関する識別情報（ここでは、ＩＰアドレスを用いるものとする）の取得の機能を備える。

宅内サーバ１１６は、センタサーバ２００との通信機能を用いることにより、広域網ＮＴに接続された通信端末からセンタサーバ２００を通して宅内の機器の監視や制御を可能にする。センタサーバ２００は、宅内の機器と広域網ＮＴ上の通信端末とを仲介する。

通信端末から宅内の機器の監視や制御を行う場合は、監視や制御の要求をセンタサーバ２００に記憶させ、宅内の機器は定期的に片方向のポーリング通信を行うことにより、通信端末からの監視や制御の要求を受信する。この動作により、通信端末から宅内の機器の監視や制御が可能になる。

また、宅内の機器において火災検知など通信端末に通知すべきイベントが生じたときには、宅内の機器からセンタサーバ２００に通知し、センタサーバ２００から通信端末に対して電子メールによる通知を行う。

宅内サーバ１１６における宅内網との通信機能のうち重要な機能は、宅内網を構成する機器の検出と管理である。宅内サーバ１１６では、ＵＰｎＰ（Universal Plug and Play）を応用して宅内網に接続された機器を自動的に検出する。宅内サーバ１１６はブラウザ機能を有する表示器１１７を備え、検出した機器の一覧を表示器１１７に表示する。この表示器１１７はタッチパネル式もしくは操作部が付設された構成を有し、表示器１１７の画面に表示された選択肢から所望の内容を選択する操作が可能になっている。したがって、宅内サーバ１１６の利用者（施工業者あるいは家人）は、表示器１１７の画面上で機器の監視ないし制御が可能になる。表示器１１７は宅内サーバ１１６とは分離して設けてもよい。

宅内サーバ１１６では、機器の接続に関する情報を管理しており、宅内網に接続された機器の種類や機能とアドレスとを把握する。したがって、宅内網の機器を連動動作させることができる。機器の接続に関する情報は上述のように自動的に検出されるが、機器を連動動作させるには、機器自身が保有する属性により自動的に関係付けを行うほか、宅内サーバ１１６にパーソナルコンピュータのような情報端末を接続し、情報端末のブラウザ機能を利用して機器の関係付けを行うこともできる。

機器の連動動作の関係は各機器がそれぞれ保持する。したがって、機器は宅内サーバ１１６を通すことなく連動動作することができる。各機器について、連動動作の関係付けを行うことにより、たとえば、機器であるスイッチの操作により、機器である照明器具の点灯あるいは消灯の動作を行うことが可能になる。また、連動動作の関係付けはサブシステム内で行うことが多いが、サブシステムを超える関係付けも可能である。

ところで、交流／直流変換装置１は分電盤１１０の内部に収納されており、同じく分電盤１１０の内部に収納されている主幹ブレーカ１１１を通して電力系統ＡＣに接続されている。交流／直流変換装置１の出力側に接続されている協調制御部１１３は、交流／直流変換装置１を含む直流電力系統および分散電源２，１６１，１６３から直流機器１０２への電力の配分を制御する機能を有している。

直流機器１０２の駆動電圧は機器に応じた複数種類の電圧から選択されるから、協調制御部１１３にＤＣ／ＤＣコンバータを設け、直流電力系統および分散電源２，１６１，１６３から得られる直流電圧を必要な電圧に変換するのが望ましい。通常は、１系統のサブシステム（もしくは１つの直流ブレーカ１１４に接続された直流機器１０２）に対して１種類の電圧が供給されるが、１系統のサブシステムに対して３線以上を用いて複数種類の電圧を供給するように構成してもよい。あるいはまた、直流供給線路Ｗｄｃを２線式とし、線間に印加する電圧を時間経過に伴って変化させる構成を採用することも可能である。ＤＣ／ＤＣコンバータは、直流ブレーカと同様に複数に分散して設けてもよい。

上述の構成例では、交流／直流変換装置１を１つだけ図示しているが、複数の交流／直流変換装置１を並設することが可能であり、複数の交流／直流変換装置１を設けるときには、負荷の大きさに応じて運転する交流／直流変換装置１の個数を増減させるのが望ましい。

上述した交流／直流変換装置１、協調制御部１１３、直流ブレーカ１１４、分散電源２，１６１，１６３には通信機能が設けられており、交流／直流変換装置１および分散電源２，１６１，１６３や直流機器１０２を含む負荷の状態に対処する連携動作を行うことを可能にしている。この通信に用いる通信信号は、直流機器２に用いる通信信号と同様に直流電圧に重畳する形式で伝送する。

上述の例では主幹ブレーカ１１１から出力された交流電力を交流／直流変換装置１により直流電力に変換するために、交流／直流変換装置１を分電盤１１０内に配置しているが、主幹ブレーカ１１１の出力側において分電盤１１０内に設けた分岐ブレーカ（図示せず）で交流供給線路を複数系統に分岐し、各系統の交流供給線路に交流／直流変換装置１を設けて系統ごとに直流電力に変換する構成を採用してもよい。

この場合、住宅Ｈの各階や各部屋を単位として直流の電力系統を設けることができるから、直流電力系統を上記単位毎に管理することができ、しかも、直流電力を利用する直流機器１０２との間の配電路Ｗｄｃの距離が短くなるから、配電路Ｗｄｃでの電圧降下による電力損失を低減させることができる。また、主幹ブレーカ１１１および分岐ブレーカを分電盤１１０に収納し、交流／直流変換装置１と協調制御部１１３と直流ブレーカ１１４と宅内サーバ１１６とを分電盤１１０とは別の盤に収納してもよい。

本発明の実施形態を示すシステム構成図である。他の実施形態を示すシステム構成図である。さらに他の実施形態を示すシステム構成図である。

符号の説明

ＡＣ電力系統
Ｌ負荷
１交流／直流変換装置
２分散電源
２０二次電池（電源手段）
２１充電部
２２放電部
２３制御部（切換手段、異常検出手段、残容量検出手段）

Claims

交流の電力系統から供給される交流電力を交流／直流変換した直流電力を負荷に給電する直流電力系統と、負荷に対して直流電力系統と並列接続された分散電源とを備え、
分散電源は、直流電力系統から供給される直流電力よりも電圧レベルが低い直流電力を供給する電源手段と、直流電力系統から電源手段への逆流を防ぐ整流素子と、電源手段から負荷への給電経路を開閉する切換手段と、電源手段の異常を検出する異常検出手段とを具備し、
切換手段は、異常検出手段が異常を検出していなければ給電経路を閉じ、異常検出手段が異常を検出していれば給電経路を開くことを特徴とする直流配電システム。
分散電源は、二次電池からなる電源手段と、二次電池を充電する充電手段と、二次電池を放電する放電手段と、二次電池の残容量を検出する残容量検出手段とを具備し、
充電手段は、残容量検出手段で検出する残容量が所定値以下まで低下したら二次電池の充電を開始するとともに停電時には二次電池の充電を行わなず、
切換手段は、異常検出手段が異常を検出していなければ放電手段から負荷への給電経路を閉じ、異常検出手段が異常を検出していれば放電手段から負荷への給電経路を開くことを特徴とする請求項１記載の直流配電システム。