JP2011015501A - 配電システム - Google Patents

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Abstract

【課題】太陽電池以外の分散電源が個々に逆潮防止装置を備える場合に比べて低コスト化を図ることができる配電システムを提供する。
【解決手段】系統連系ユニット1には、燃料電池6および2次電池7から出力される電力が、交流負荷および直流負荷により消費される電力を上回った際に、余剰電力が商用電源4側に逆潮流することを防止する逆潮防止回路10を設けてある。逆潮防止回路10は、交流系主電路20上における太陽電池5の接続点と燃料電池6および2次電池7の接続点との間に挿入されており、燃料電池6および2次電池7から出力される電力と、交流負荷および直流負荷により消費される電力とを比較し、前者が後者以上になると、交流系主電路20を電気的に遮断する。これにより、1つの逆潮防止回路10にて、燃料電池6や2次電池7の出力電力が商用電源4側に逆潮流することを防止できる。
【選択図】図1

Description

本発明は、太陽電池と太陽電池以外の分散電源とを用いた配電システムに関するものである。
従来から、分散電源に太陽電池を用いた配電システムとして、太陽電池を商用電力系統と並列に接続し、商用電源および太陽電池の両方から負荷へ電力を供給する系統連系運転を行うものが知られている。この種の配電システムでは、太陽電池で十分に電力が生成される昼間などにおいて、太陽電池の発電電力が消費電力を上回り太陽電池で生成される電力に余剰分(以下、余剰電力という)が生じる場合には、当該余剰電力は商用電力系統に逆潮流して電力会社に売電することができる(たとえば特許文献1参照)。
また、近年では、上記配電システムにさらに燃料電池や2次電池などの太陽電池以外の分散電源(ここでは電力貯蔵装置も分散電源の一種としている)を付加し、太陽電池の発電量が低下する夜間などにおいても分散電源で電力供給を賄えるようにすることが考えられている。
ただし、我が国においては、商用電力系統への影響などを考慮して、現在のところ太陽電池のみについて売電が許可されており、太陽電池以外の分散電源(燃料電池や2次電池)について売電は許可されていない。したがって、燃料電池や2次電池に関しては仮に余剰電力が生じても商用電力系統に逆潮流をすることがないように「電力品質確保に係る系統連系技術要件ガイドライン」に定められており、太陽電池以外の分散電源(燃料電池や2次電池)は個々に逆潮流を防止するための逆潮防止装置を具備している。
特開2003−189477号公報(第0047−0048段落)
しかし、上述のように太陽電池以外の分散電源(燃料電池や2次電池)が個々に逆潮防止装置を備えていると、配電システムに太陽電池以外の分散電源を複数用いる場合に、配電システム全体としては逆潮防止装置が複数設けられることになる。逆潮防止装置は商用電力系統の保護を考慮して複雑な構成を採用しているため、当該逆潮防止装置を複数設けることは配電システム全体としての低コスト化の妨げとなる。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであって、太陽電池以外の分散電源が個々に逆潮防止装置を備える場合に比べて低コスト化を図ることができる配電システムを提供することを目的とする。
請求項1の発明では、太陽電池からなる第1分散電源と、太陽電池以外の複数台の分散電源からなる第2分散電源と、第1分散電源と第2分散電源と商用電源とが接続され負荷へ電力供給するための主電路とを備え、第1分散電源は主電路における商用電源の接続点と第2分散電源の接続点との間に接続され、主電路における第1分散電源の接続点と第2分散電源の接続点との間には、第2分散電源に余剰電力が生じているときに主電路を電気的に遮断する逆潮防止回路を有することを特徴とする。
この構成によれば、第2分散電源に余剰電力が生じると、逆潮防止回路が主電路を電気的に遮断することで第2分散電源から商用電源への逆潮流を防止することができる。したがって、太陽電池以外の分散電源が複数台あっても、1つの逆潮防止回路によりこれら複数台の分散電源からの逆潮流を一括して防止することができる。結果的に、太陽電池以外の分散電源が個々に逆潮防止装置を備える場合に比べて配電システムの低コスト化を図ることができる。また、逆潮防止回路により主電路が遮断された状態でも、第2分散電源から負荷への電力供給は可能であって、さらに第1分散電源から商用電源への逆潮流は可能である。
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記主電路が、交流負荷に電力を供給するための交流系主電路と、直流負荷に電力を供給するための直流系主電路とを有し、交流系主電路と直流系主電路との間に交流を直流に変換する電力変換回路が設けられ、前記第1分散電源が、電力変換回路を通さずに直流系主電路に接続されていることを特徴とする。
この構成によれば、第1分散電源で生成される直流電力を直流のまま直流系主電路に送ることができるので、当該直流電力を一旦交流に変換してから直流に変換する場合に比べて、電力変換時の損失を低減することができる。
本発明は、主電路における第1分散電源の接続点と第2分散電源の接続点との間には、第2分散電源に余剰電力が生じているときに主電路を電気的に遮断する逆潮防止回路を有することで、太陽電池以外の複数台の分散電源からの逆潮流を一括して防止することができ、太陽電池以外の分散電源が個々に逆潮防止装置を備える場合に比べて低コスト化を図ることができるという利点がある。
本発明の実施形態1の構成を示す概略システム構成図である。 本発明の実施形態2の構成を示す概略システム構成図である。 本発明の実施形態3の構成を示す概略システム構成図である。 本発明の実施形態4の構成を示す概略システム構成図である。
(実施形態1)
本実施形態の配電システムは、図1に示すように、宅内の負荷(電気機器)に電力供給するためのものであって、宅内の所定箇所に設置され交流駆動型の負荷(以下、交流負荷という)に交流電力を供給するための交流分電盤2と、宅内の所定箇所に設置され直流駆動型の負荷(以下、直流負荷という)に直流電力を供給するための直流分電盤3とを備えている。
交流分電盤2には、商用電源4に接続される交流系主電路20上に挿入された漏電遮断器からなる主幹ブレーカ21と、主幹ブレーカ21の2次側に接続される複数個の分岐ブレーカ22とが収納されており、各分岐ブレーカ22にそれぞれ交流に対応した負荷回路(各部屋に設置された交流コンセント、壁スイッチ等の配線器具や照明器具などを含む)が接続されることにより、各交流負荷(図示せず)への交流電力の供給が可能となる。ここに、商用電源4は単相三線式であって、中性極と一対の電圧極との3線からなる交流系主電路20を介して主幹ブレーカ21に接続される。
各分岐ブレーカ22は、それぞれ電源端子(図示せず)を具備しており、主幹ブレーカ21の2次側端子に接続された3極(中性極および一対の電圧極)のうち2極にのみ電源端子を接続する形で、主幹ブレーカ21と電気的に接続される。しかして、中性極といずれか一方の電圧極とに接続された分岐ブレーカ22には交流100Vが給電され、一対の電圧極に接続された分岐ブレーカ22には交流200Vが給電されることとなる。また、各分岐ブレーカ22には、上記負荷回路を接続するための負荷端子(図示せず)と、電源端子−負荷端子間に介在する接点(図示せず)とが設けられており、当該接点により負荷回路への給電をオンオフする。
ここにおいて、本実施形態の配電システムは、分散電源として太陽電池5と燃料電池6と2次電池7とを具備している。太陽電池5は第1分散電源を構成し、燃料電池6および2次電池7は第2分散電源を構成する。
太陽電池5は、アレイ開閉器51を有し集電を担う接続箱50と、開閉器11と、直流を交流に変換するインバータ回路12とを介して交流系主電路20に接続される。インバータ回路12は交流系主電路20における主幹ブレーカ21の1次側(商用電源4側)に接続される。しかして、太陽電池5の出力は、インバータ回路12にて商用電源4と電圧および周波数が略等しい交流電圧に変換されて、交流分電盤2を介して交流負荷に供給される。ここで、開閉器11およびインバータ回路12は、商用電源4を交流系主電路20に接続するための引込装置13等と共に系統連系ユニット1を構成する。
この配電システムでは、太陽電池5で十分に電力が生成される昼間などにおいて、太陽電池5の発電電力が消費電力を上回り太陽電池5で生成される電力に余剰分(以下、余剰電力という)が生じる場合、当該余剰電力は商用電力系統に逆潮流して電力会社に売電することができる。そのため、商用電源4と系統連系ユニット1との間には、商用電源4から需要家に供給される電力量を計測する買電メータ41と、需要家から商用電源4に逆潮流される電力量を計測する売電メータ42とが設けられている。
一方、直流分電盤3には、燃料電池6や2次電池7に接続される直流系主電路30上に挿入された漏電遮断器からなる主幹ブレーカ31と、主幹ブレーカ31の2次側端子に接続される複数個の分岐プロテクタ32とが収納されている。ここで、主幹ブレーカ31の1次側には、燃料電池6が開閉器61およびDC/DCコンバータ62を介して接続されるとともに、2次電池7が充放電を制御するための充放電回路71および開閉器72を介して接続されている。2次電池7は充放電回路71および開閉器72と共に電力貯蔵ユニット70を構成する。
そのため、各分岐プロテクタ32にそれぞれ直流に対応した負荷回路(各部屋に設置され正極および負極の一対の給電部を有する直流コンセント33、壁スイッチ34等の配線器具や照明器具などを含む)が接続されることにより、燃料電池6や2次電池7から各直流負荷(図示せず)への直流電力の供給が可能となる。分岐プロテクタ32は、負荷回路に流れる電流を監視し、短絡等の異常を検知したときに直流負荷への給電を制限ないし遮断する。
直流負荷としては、比較的高い電圧(たとえば300V)で動作する空調装置や冷蔵庫等の高圧直流負荷と、比較的低い電圧(たとえば48V)で動作する電話やパーソナルコンピュータや液晶テレビなどの低圧直流負荷とを想定している。そのため、直流分電盤3には降圧用のDC/DCコンバータ35が設けられ、低圧直流負荷は、分岐プロテクタ32を介してDC/DCコンバータ35の出力端に接続される。
ここで、直流系主電路(主幹ブレーカ31の1次側)30と交流系主電路(主幹ブレーカ21の2次側)20とは電力変換回路63を介して互いに接続される。電力変換回路63は交流系主電路20に対しては開閉器64を介して接続される。当該電力変換回路63は、交流−直流を双方向に変換するものであって、交流系主電路20側から引き込んだ交流電力を直流に変換して直流系主電路30側へ出力するとともに、直流系主電路30側から引き込んだ直流電力を交流に変換して交流系主電路20側へ出力する。したがって、交流負荷で消費される電力を商用電源4および太陽電池5の電力のみで賄えない場合、燃料電池6や2次電池7から交流負荷への電力供給が可能となり、逆に、直流負荷で消費される電力を燃料電池6および2次電池7の電力のみで賄えない場合、商用電源4や太陽電池5から直流負荷への電力供給が可能となる。電力変換回路63および開閉器64は、燃料電池6用のDC/DCコンバータ62および開閉器61と共にコンバータユニット60を構成する。
以上説明した構成の配電システムは、太陽電池5、燃料電池6、2次電池7から取り出す電力を制御するために図示しない制御部を有している。制御部は、消費電力等を含む負荷情報を受け、太陽電池5、燃料電池6、2次電池7の各々と主電路20,30との間に設けられている開閉器11,61,72、並びに電力変換回路63と交流系主電路20との間の開閉器64を制御する。具体的には、太陽電池5で十分に電力が生成される昼間などにおいて、上記開閉器11,61,64,72のうち開閉器61のみを開放して、燃料電池6を直流系主電路30から切り離し、太陽電池5の発電電力を優先的に負荷へ供給する。このとき、制御部は充放電回路71を制御して、太陽電池5の出力により2次電池7を充電する。一方、太陽電池5の発電電力が低下する夜間等においては、開閉器61を閉成し燃料電池6を直流系主電路30に接続することで、燃料電池6の発電電力を優先的に負荷へ供給する。このとき、制御部は充放電回路71を制御して2次電池7を放電することで、燃料電池6での電力不足分を賄う。
結果、商用電源4からの電力供給を殆ど受けることなく、分散電源たる太陽電池5、燃料電池6、2次電池7のみで、需要家内の電力供給を賄うことが可能である。また、制御部は、太陽電池5や燃料電池6等に異常が生じた場合に、太陽電池5や燃料電池6に対応する開閉器11,61を開放して商用電力系統への影響を防止する機能も有している。
なお、このような配電システムにおいては、商用電源4の停電時に分散電源(太陽電池5、燃料電池6、2次電池7)を商用電源4から切り離すため、系統連系ユニット1には、分散電源の単独運転の検出時に、引込装置13と交流系主電路20との間に挿入された開閉器14を解列(開放)させる解列器15が設けられている。しかして、商用電源4の停電時には、系統連系ユニット1内で商用電源4が交流系主電路20と切り離されるため、交流負荷および直流負荷は分散電源から電力供給を受けて動作する。ここに、図1の例では、解列器15と電力変換回路63との間の電路を交流系主電路20とし、電力変換回路63とDC/DCコンバータ35との間の電路を直流系主電路30とする。
ところで、本実施形態の配電システムにおいては、燃料電池6および2次電池7から出力される電力が、交流負荷および直流負荷により消費される電力を上回った際に、余剰電力が商用電源4側に逆潮流することを防止する逆潮防止回路10を系統連系ユニット1内に設けてある。すなわち、我が国では現在のところ太陽電池5のみについて売電が許可されており、太陽電池5以外の分散電源(燃料電池6や2次電池7)について売電は許可されていないため、逆潮防止回路10を設けて燃料電池6や2次電池7からの逆潮流を防止する。
ここに、燃料電池6および2次電池7から出力される電力と、需要家における交流負荷および直流負荷で消費される電力とを比較した場合に、燃料電池6および2次電池7から出力される電力の方が大きければ、燃料電池6および2次電池7に余剰電力が生じていることになる。そこで、逆潮防止回路10は、交流系主電路20上における太陽電池5用のインバータ回路12の接続点と交流分電盤2との間に挿入されており、燃料電池6および2次電池7から出力される電力と、交流負荷および直流負荷により消費される電力とを比較し、前者が後者以上になると、余剰電力が生じているものとして交流分電盤2を商用電源4から電気的に切り離す。これにより、燃料電池6や2次電池7の出力電力が商用電源4側に逆潮流することを防止できる。
ここで、逆潮防止回路10は、燃料電池6および2次電池7に余剰電力ありと判断したときに、交流系主電路20の交流分電盤2側に負荷(以下、予備負荷という)を接続するものであってもよい。これにより、燃料電池6および2次電池7に余剰電力が生じた場合、余剰電力を予備負荷に供給し、予備負荷に余剰電力を消費させることで余剰電力の有効利用を図ることができる。たとえば、予備負荷として給湯用のヒータを用いれば、余剰電力を需要家の熱エネルギとして利用することができる。
以上説明した構成によれば、逆潮防止回路10を1つ設けるだけで、複数の分散電源(燃料電池6および2次電池7)からの逆潮流を一括して防止することができる。すなわち、逆潮防止回路10は、交流系主電路20上において太陽電池5の接続点より下流側であって、太陽電池5以外の分散電源(燃料電池6、2次電池7)の接続点より上流側に設けられているため、太陽電池5からの逆潮流は可能としながらも、太陽電池5以外の分散電源からの逆潮流を一括して防止することができる。これにより、太陽電池5以外の分散電源がそれぞれ個々に逆潮防止装置を具備する場合に比べて、配電システム内に存在する逆潮防止装置の数を少なくすることができるので、配電システムの低コスト化を図ることができる。
なお、上記実施形態では第2分散電源として燃料電池6および2次電池7を備える配電システムを例示したが、この例に限らず、燃料電池6あるいは2次電池7のいずれか一方、若しくはその他の分散電源(太陽電池5は除く)を第2分散電源として備える配電システムに本発明を適用してもよい。
(実施形態2)
本実施形態の配電システムは、図2に示すように電力変換回路63を通さずに直流系主電路30に対して太陽電池5を接続している点が実施形態1の配電システムと相違する。
すなわち、本実施形態では、太陽電池5は接続箱50および開閉器11を介してDC/DCコンバータ65に接続され、当該DC/DCコンバータ65の出力を直流分電盤3の主幹ブレーカ31の1次側に接続してある。また、太陽電池5の出力は、開閉器11とDC/DCコンバータ65との接続点から系統連系ユニット1のインバータ回路12にも分岐されている。
ここにおいて、制御部は、太陽電池5で十分に電力が生成される昼間などには、電力変換回路63と交流系主電路20との間の開閉器64を開放して、交流系主電路20と直流系主電路30とを切り離すようにしてもよい。この場合でも、太陽電池5の発電電力を交流負荷および直流負荷の両方に対して供給することができる。
以上説明した構成によれば、太陽電池5で生成された直流電力を直流系主電路30に対して直流のまま供給することができる。したがって、実施形態1のように、太陽電池5で生成された直流電力をインバータ回路12で一旦交流に変換し、電力変換回路63で再度直流に変換する場合に比べると、電力変換時の損失を低減できるという利点がある。
その他の構成および機能は実施形態1と同様である。
(実施形態3)
本実施形態の配電システムは、図3に示すように電力変換回路63を通さずに交流系主電路20に対して燃料電池6を接続している点が実施形態1の配電システムと相違する。
すなわち、本実施形態では、燃料電池6は開閉器66を介して直流を交流に変換するインバータ回路67に接続され、当該インバータ回路67の出力を交流分電盤2の主幹ブレーカ21の1次側に接続してある。しかして、逆潮防止回路10は、交流系主電路20上における太陽電池5との接続点と、燃料電池6との接続点との間に挿入されることになる。ここで、太陽電池5用の開閉器11およびインバータ回路12は、系統連系ユニット1とは別に設けられ、燃料電池6用の開閉器66およびインバータ回路67と共にインバータユニット68を構成する。
また、ここでは直流負荷のうち低圧直流負荷のみを電力供給の対象としており、そのため直流分電盤3内のDC/DCコンバータ35は省略され、電力変換回路63の出力が分岐プロテクタ32を介して低圧直流負荷に供給されるようにしてある。なお、図3の例では、コンバータユニット60は省略され、電力変換回路63および開閉器64は直流分電盤3内に収納されている。
この構成では、たとえば電力変換回路63の故障時においても、太陽電池5および燃料電池6の発電電力を交流系主電路20上に送ることができ、商用電源4からの電力供給を殆ど受けることなく、需要家内の電力供給を賄うことができる。
その他の構成および機能は実施形態1と同様である。
(実施形態4)
本実施形態の配電システムは、図4に示すように電力貯蔵ユニット70とは別に2次電池9と充放電回路91と開閉器92とで構成された非常電力貯蔵ユニット90を付加した点が実施形態1の配電システムと相違する。
本実施形態では、低圧直流負荷は商用電源4の停電時にも動作する必要のある非常灯などの非常用負荷であって、商用電源4の停電時において当該非常用負荷の動作電力を確実に確保するために非常電力貯蔵ユニット90を設けてある。ここで、直流系主電路30におけるDC/DCコンバータ35の出力側には安全絶縁トランス36が挿入されており、安全絶縁トランス36の2次側に低圧直流負荷を接続するための分岐プロテクタ32が接続される。非常電力貯蔵ユニット90は、直流系主電路30上における安全絶縁トランス36の2次側に接続される。
ここでは、低圧直流負荷の一部はDC/DCコンバータ35の出力電圧(たとえば48V)よりさらに低い電圧(たとえば24V,12V,5V)で動作するものとし、これらの低圧直流負荷については安全絶縁トランス36の2次側出力を個々の動作電圧まで降圧するDC/DCコンバータ37が個別に設けられている。これらDC/DCコンバータ37と安全絶縁トランス36との間には開閉器38が挿入される。図4の例では、電力変換回路63とDC/DCコンバータ37との間の電路を直流系主電路30とする。なお、安全絶縁トランス36の2次側に接続される回路は安全特別低電圧(SELV)回路を構成する。
また、燃料電池6や電力貯蔵ユニット70は、電力変換回路63を通さずに交流系主電路20に接続されている。具体的には、燃料電池6には直流出力を交流に変換するインバータ回路67が付設され、当該インバータ回路67の出力を開閉器66を介して交流系主電路20に接続してある。電力貯蔵ユニット70は、交流−直流を双方向に変換可能なAC/DCコンバータ73を介して交流系主電路20に接続される。ここに、コンバータユニット60の電力変換回路63は交流から直流への変換のみを行うものとする。なお、図4の例では系統連系ユニット1が省略され、太陽電池5用の開閉器11およびインバータ回路12は、電力貯蔵ユニット70用のAC/DCコンバータ73並びに電力変換回路63と共にコンバータユニット60を構成する。
ここで、コンバータユニット60は、太陽電池5用のインバータ回路12と、燃料電池6用のインバータ回路67と、電力貯蔵ユニット70用のAC/DCコンバータ73と、充放電回路71と、電力変換回路63とを制御対象とする制御部69を具備している。当該制御部69は、消費電力等を含む負荷情報を受け、太陽電池5、燃料電池6、2次電池7の各々から取り出す電力を制御する。
一方、引込装置13および逆潮防止回路10は、交流分電盤2内に収納され、漏電遮断器からなる一次送りブレーカ23を介して電力変換回路63の交流入力端に接続されている。交流分電盤2の主幹ブレーカ21は、逆潮防止回路10と一次送りブレーカ23との接続点から分岐された電路に挿入される。主幹ブレーカ21と分岐ブレーカ22との接続点は、サージプロテクタ24を介して接地されている。なお、図4では解列器15の図示を省略する。
以上説明した構成によれば、定常時には非常電力貯蔵ユニット90を略満充電状態に維持し、商用電源4の停電時にのみ非常電力貯蔵ユニット90から放電させることにより、商用電源4の停電時における低圧直流負荷の動作電力を、非常電力貯蔵ユニット90にて確実に確保することができる。ここで、非常電力貯蔵ユニット90は、直流系主電路30に直接接続されているため、直流−交流間の電力変換に伴う変換損失を生じることなく、高効率で低圧直流負荷に電力供給できるという利点がある。その結果、電力貯蔵ユニット70は、商用電源4の停電時における低圧直流負荷の動作電力を確保する必要性がなく、消費電力量の少ない時間帯に充電し消費電力量の多い時間帯に放電することで負荷平準化のために有効利用することができる。
なお、非常電力貯蔵ユニット90を低圧直流負荷の近くに設置すれば、非常電力貯蔵ユニット90から低圧直流負荷への電力供給時に直流系主電路30上で生じる損失を小さく抑えることができる。
その他の構成および機能は実施形態1と同様である。
1 系統連系ユニット
4 商用電源
5 太陽電池
6 燃料電池
7 2次電池
10 逆潮防止回路
20 交流系主電路
30 直流系主電路

Claims (2)

  1. 太陽電池からなる第1分散電源と、太陽電池以外の複数台の分散電源からなる第2分散電源と、第1分散電源と第2分散電源と商用電源とが接続され負荷へ電力供給するための主電路とを備え、第1分散電源は主電路における商用電源の接続点と第2分散電源の接続点との間に接続され、主電路における第1分散電源の接続点と第2分散電源の接続点との間には、第2分散電源に余剰電力が生じているときに主電路を電気的に遮断する逆潮防止回路を有することを特徴とする配電システム。
  2. 前記主電路は、交流負荷に電力を供給するための交流系主電路と、直流負荷に電力を供給するための直流系主電路とを有し、交流系主電路と直流系主電路との間に交流を直流に変換する電力変換回路が設けられ、前記第1分散電源は、電力変換回路を通さずに直流系主電路に接続されていることを特徴とする請求項1記載の配電システム。
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