JP2011120406A

JP2011120406A - 電力供給システム

Info

Publication number: JP2011120406A
Application number: JP2009276820A
Authority: JP
Inventors: Kazuto Tokuda; 和人徳田; Shojiro Matsumura; 章二朗松村
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2009-12-04
Publication date: 2011-06-16

Abstract

【課題】突入電流が発生したとき、インバータ制御発電装置の負担が大きくならない電力供給システムを提供する。
【解決手段】電力供給システムＳが、発電手段Ｇ及び発電手段Ｇの出力を変換して電力負荷装置９へ出力可能な発電用インバータ１１を有するインバータ制御発電装置１０と、蓄電手段２２及び蓄電手段２２の出力を変換して電力負荷装置９へ出力可能な蓄放電用インバータ２１を有するインバータ制御蓄電装置２０とを備え、自立運転時においてインバータ制御発電装置１０から電力負荷装置９へ出力される交流電力の電流が閾値電流以上になると或いは電圧が閾値電圧以下になると、発電用インバータ１１は発電手段Ｇの出力を基準周波数よりも低い周波数の交流電力に変換して出力し、並びに、蓄放電用インバータ２１は蓄電手段２２の出力を基準周波数よりも低い周波数の交流電力に変換して出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力負荷装置に電力を供給する電力供給システムに関する。

電力負荷装置及び発電装置がシステム内系統で接続され、電力負荷装置に対して発電装置から電力の供給が可能になっている電力供給システムがある。この電力供給システムが商用電源に連系されているとき、電力負荷装置に対して発電装置及び商用電源の両方から電力を供給でき、システム内系統における交流電力の電圧及び周波数は商用電源の電圧及び周波数になる。

このような電力供給システムにおいて電力負荷装置の電源が投入されると、電力負荷装置には突入電流が流れる。但し、電力供給システムが商用電源に連系されているときに電力負荷装置の電源が投入されても、突入電流は流れるが、システム内系統における交流電力の電圧及び周波数は商用電源の電圧及び周波数のままである。一方で、電力供給システムが商用電源から解列されて発電装置が自立運転しているときに電力負荷装置の電源が投入されると、突入電流をその発電装置が負担しなければならない。例えば、同期発電機などの回転系発電機で構成される発電装置を自立運転しているときにこのような突入電流が発生すると、回転系発電機の回転速度（出力周波数）が低下すると共に出力電圧が低下する。図５は、突入電流が発生したときに回転系発電機から電力負荷装置へ出力される交流電力の電流、電圧及びその周波数の推移を示すグラフである。

或いは、発電装置が、回転系発電機からの交流電力を整流し、その整流後の直流電力を基準電圧及び基準周波数の交流電力に変換して出力する発電用インバータを備えるインバータ制御発電装置で構成される場合もある。図６は、このようなインバータ制御発電装置を自立運転しているときに突入電流が発生したときにインバータ制御発電装置から電力負荷装置へ出力される交流電力の電流、電圧及びその周波数の推移を示すグラフである。図６に示すように、インバータ制御発電装置は出力周波数を一定の基準周波数に制御するため、図５に示した回転系発電機の場合に比べて更に大きい突入電流が発生する。そのため、出力電圧の低下も大きく発生する。

上述のようなインバータ制御発電装置の場合、発電用インバータを構成する半導体スイッチング素子の容量に制限があるため、大きな突入電流が許容されないという問題がある。
特許文献１に記載の電力供給システムは、このような突入電流の問題に鑑みて、発電用インバータの出力電流が閾値電流を超えた場合には、インバータの出力電力が一定となるようにインバータの出力電圧を制御して定電力制御を行い、且つ、出力周波数を垂下させる出力周波数垂下制御を行っている。つまり、出力周波数垂下制御を行うことで、発電用インバータの出力電流の増大を抑制して、発電用インバータを構成する半導体スイッチング素子等を保護する効果を期待できる。

特開２００３−１１１４２８号公報

但し、特許文献１に記載の電力供給システムは、１台のインバータ制御発電装置を備えているだけである。そのため、電力負荷装置の電源が投入されたときに発生する突入電流をその１台のインバータ制御発電装置の出力電流から負担しなければならない。そのため、インバータ制御発電装置の負担が大きくなるという問題がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、突入電流が発生したとき、インバータ制御発電装置の負担が大きくならない電力供給システムを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る電力供給システムの特徴構成は、
電力負荷装置に電力を供給する電力供給システムであって、
発電手段、及び、商用電源から解列された自立運転時において前記発電手段の出力を基準電圧及び基準周波数の交流電力に変換して前記電力負荷装置へ出力可能な発電用インバータを有するインバータ制御発電装置と、
蓄電手段、及び、前記自立運転時に前記蓄電手段の出力を前記基準電圧及び前記基準周波数の交流電力に変換して前記電力負荷装置へ出力可能な蓄放電用インバータを有するインバータ制御蓄電装置と、を備え、
前記自立運転時において前記インバータ制御発電装置から前記電力負荷装置へ出力される交流電力の電流が閾値電流以上になると或いは電圧が閾値電圧以下になると、前記発電用インバータは前記発電手段の出力を前記基準周波数よりも低い周波数の交流電力に変換して出力し、並びに、前記蓄放電用インバータは、前記蓄電手段の出力を前記基準周波数よりも低い周波数の交流電力に変換して出力する点にある。

上記特徴構成によれば、自立運転時においてインバータ制御発電装置から電力負荷装置へ出力される交流電力の電流が閾値電流以上になると或いは電圧が閾値電圧以下になる状況、例えば、電力負荷装置に突入電流が流れた場合など、において、インバータ制御発電装置及びインバータ制御蓄電装置の両方から電力負荷装置への電力の供給が行われる。つまり、電力負荷装置に突入電流が流れた場合などにおいて、その突入電流を、インバータ制御発電装置とインバータ制御蓄電装置とで分担して出力する。
加えて、インバータ制御発電装置の発電用インバータは発電手段の出力を基準周波数よりも低い周波数の交流電力に変換して出力し、並びに、インバータ制御蓄電装置の蓄放電用インバータは、蓄電手段の出力を基準周波数よりも低い周波数の交流電力に変換して出力するので、電力負荷装置の突入電流を低く抑えることができる。
従って、突入電流が発生したとき、インバータ制御発電装置の負担が大きくならない電力供給システムを提供できる。

本発明に係る電力供給システムの別の特徴構成は、前記発電用インバータ及び前記蓄放電用インバータのそれぞれは、前記自立運転時において前記インバータ制御発電装置から前記電力負荷装置へ出力される交流電力の電流が閾値電流以上になると或いは電圧が閾値電圧以下になると、出力する交流電力の周波数を、前記インバータ制御発電装置から前記電力負荷装置へ出力される交流電力の電流が増大するにつれて或いは電圧が低下するにつれて前記基準周波数から連続的又は段階的に低下させる点にある。

上記特徴構成によれば、発電用インバータ及び蓄放電用インバータのそれぞれは、インバータ制御発電装置及びインバータ制御蓄電装置が負担しなければならない電流が大きくなるにつれて、出力する交流電力の周波数を連続的又は段階的に低下させて、インバータ制御発電装置及びインバータ制御蓄電装置が負担しなければならない電流をより抑制する方向へ制御する。その結果、インバータ制御発電装置の負担が大きくなり過ぎることを防止できる。

本発明に係る電力供給システムの更に別の特徴構成は、前記自立運転時において前記インバータ制御発電装置から前記電力負荷装置へ出力される交流電力の電流が閾値電流以上になったとき或いは電圧が閾値電圧以下になったとき、前記発電用インバータが出力する交流電力の周波数と、前記蓄放電用インバータが出力する交流電力の周波数とは異なる点にある。

上記特徴構成によれば、発電用インバータが出力する交流電力の周波数と、蓄放電用インバータが出力する交流電力の周波数とを異ならせることで、インバータ制御発電装置が負担する電流とインバータ制御蓄電装置が負担する電流との分担割合を自在に異ならせることができる。

本発明に係る電力供給システムの更に別の特徴構成は、前記自立運転時において前記インバータ制御発電装置から前記電力負荷装置へ出力される交流電力の電流が閾値電流以上になったとき或いは電圧が閾値電圧以下になったとき、前記発電用インバータが出力する交流電力の周波数は、前記蓄放電用インバータが出力する交流電力の周波数よりも小さい点にある。

上記特徴構成によれば、発電用インバータが出力する交流電力の周波数を、蓄放電用インバータが出力する交流電力の周波数よりも小さくすることで、発電用インバータが負担する電流をより小さくできる。

本発明の電力供給システムの構成を示す図である。本発明の電流に対する周波数の垂下特性を示すグラフである。本発明の電圧に対する周波数の垂下特性を示すグラフである。本発明の電力供給システムが備えるインバータ制御発電装置から出力される交流電力の電流、電圧及びその周波数の推移、及び、インバータ制御蓄電装置から出力される交流電力の周波数の推移を示すグラフである。従来の回転系発電機から出力される交流電力の電流、電圧及びその周波数の推移を示すグラフである。従来のインバータ制御発電装置から出力される交流電力の電流、電圧及びその周波数の推移を示すグラフである。

以下に図面を参照して本発明に係る電力供給システムについて説明する。
図１は、本発明に電力供給システムの構成を示す図である。本発明に係る電力供給システムＳは、インバータ制御発電装置１０と、インバータ制御蓄電装置２０とを備える。インバータ制御発電装置１０は遮断器３を介してシステム内系統８に接続され、インバータ制御蓄電装置２０は遮断器４を介してシステム内系統８に接続されている。システム内系統８は、遮断器２を介して商用電源１に連系されている。加えて、システム内系統８には遮断器５を介して電力負荷装置９が接続されている。システム内系統８が商用電源１に連系されているとき、電力負荷装置９には、商用電源１、インバータ制御発電装置１０及びインバータ制御蓄電装置２０の内の少なくとも何れか一つから電力が供給される。一方で、商用電源１の事故などにより遮断器２が解列されてシステム内系統８と商用電源１とが連系されていない自立運転時において、電力負荷装置９には、商用電源１及びインバータ制御発電装置１０の内の少なくとも何れか一つから電力が供給される。加えて、電力供給システムＳは、インバータ制御発電装置１０からシステム内系統８へ出力される交流電力の電流を検出する電流検出手段７と、電圧を検出する電圧検出手段６とを備える。また、上述した遮断器２、３、４、５は、電力供給システムＳが備える制御手段（図示せず）から指示を受けて動作する。電力供給システムＳが備える制御手段が商用電源１の事故などを検知して遮断器２を解列させた場合には、その情報をインバータ制御発電装置１０及びインバータ制御蓄電装置２０に伝達する。

インバータ制御発電装置１０は、発電手段Ｇと、その発電手段Ｇの出力を所定の電圧及び周波数の交流電力に変換してシステム内系統８へ出力可能な発電用インバータ１１とを有する。本実施形態において、発電手段Ｇは、エンジン１４と、そのエンジン１４によって駆動される同期発電機などの発電機１３と、発電機１３から出力される交流電力を直流電力に変換する整流器１２とを有する。本実施形態において、発電用インバータ１１、整流器１２、発電機１３、エンジン１４は、インバータ制御発電装置１０が備える制御手段（図示せず）から指示を受けて動作する。

インバータ制御蓄電装置２０は、蓄電手段としての蓄電池２２と、その蓄電池２２の出力を所定の電圧及び周波数の交流電力に変換してシステム内系統８へ出力可能な蓄放電用インバータ２１とを有する。本実施形態において、蓄放電用インバータ２１は、インバータ制御蓄電装置２０が備える制御手段（図示せず）から指示を受けて動作する。インバータ制御蓄電装置２０は、インバータ制御発電装置１０において余剰電力が発生した場合などにその余剰電力の蓄電を行い、後述する突入電流が発生した場合など、システム内系統８に対して電力を供給する必要が生じた場合に放電を行う。

システム内系統８が商用電源１から解列された自立運転時において、発電手段Ｇの出力をシステム内系統８（即ち、電力負荷装置９）へ供給するとき、発電用インバータ１１は、発電手段Ｇの出力を基準電圧及び基準周波数の交流電力に変換してシステム内系統８へ出力する。システム内系統８が商用電源１から解列された自立運転時において、蓄電池２２の出力をシステム内系統８（即ち、電力負荷装置９）へ供給するとき、蓄放電用インバータ２１は、蓄電池２２の出力を上記基準電圧及び上記基準周波数の交流電力に変換してシステム内系統８へ出力する。
尚、システム内系統８が商用電源１に連系されているとき、システム内系統８の電圧及び周波数は、商用電源１の電圧及び周波数になる。

上述のような電力供給システムＳにおいて、システム内系統８が商用電源１から解列された自立運転の状態にあるとき、電力負荷装置９が始動されると、電力負荷装置９には突入電流が流れる。つまり、インバータ制御発電装置１０から電力負荷装置９へ出力される交流電力の電流が閾値電流以上になるか、或いは、電圧が閾値電圧以下になる。尚、図１には１つの電力負荷装置９しか図示していないが、他にも複数の電力負荷装置がシステム内系統８に連系されており、そのうちの幾つかは既に動作しているものとする。このような状況で、インバータ制御発電装置１０のみが突入電流を負担すると、発電用インバータ１１に突入電流（即ち、過電流）がそのまま流れることになる。その結果、発電用インバータ１１が半導体スイッチング素子を用いて構成されている場合には、半導体スイッチング素子が故障する可能性がある。

そこで、本発明に係る電力供給システムＳでは、自立運転時においてインバータ制御発電装置１０から電力負荷装置９へ出力される交流電力の電流が閾値電流以上になると或いは電圧が閾値電圧以下になると、発電用インバータ１１は発電手段Ｇの出力を基準周波数よりも低い周波数の交流電力に変換して出力し、並びに、蓄放電用インバータ２１は、蓄電池２２の出力を基準周波数よりも低い周波数の交流電力に変換して出力する。

図２は電流に対する周波数の垂下特性を示すグラフであり、図３は電圧に対する周波数の垂下特性を示すグラフである。これらの図において、インバータ制御発電装置１０の垂下特性を実線で示し、インバータ制御蓄電装置２０の垂下特性を破線で示す。
図２及び図３に示すように、インバータ制御発電装置１０の発電用インバータ１１は、インバータ制御発電装置１０から電力負荷装置９へ出力される交流電力の電流が閾値電流：Ｉ１以上になると或いは電圧が閾値電圧：Ｖ１以下になると、発電手段Ｇの出力を基準周波数よりも低い周波数の交流電力に変換して出力するように作動する。加えて、インバータ制御蓄電装置２０の蓄放電用インバータ２１は、インバータ制御発電装置１０から電力負荷装置９へ出力される交流電力の電流が閾値電流：Ｉ１以上になると或いは電圧が閾値電圧：Ｖ１以下になると、蓄電池２２の出力を基準周波数よりも低い周波数の交流電力に変換して出力する。本実施形態において、インバータ制御発電装置１０から電力負荷装置９へ出力される交流電力の電流及び電圧は、電流検出手段７及び電圧検出手段６によって検出されて、インバータ制御発電装置１０及びインバータ制御蓄電装置２０に伝達される。更に、図２及び図３に示すように、本実施形態では、電流が増大するにつれて連続的に且つ線形に出力周波数を低下させ、電圧が低下するにつれて連続的に且つ線形に出力周波数を低下させている。
閾値電流：Ｉ１は、発電用インバータ１１の定格電流よりも大きい電流であることが好ましく、最大でも定格電流の１０４％である。閾値電圧：Ｖ１は、発電用インバータ１１の定格電圧より小さい電圧であることが好ましく、最低でも定格電圧の９５％である。

図４は、図２及び図３の垂下特性に対応した、インバータ制御発電装置１０から出力される交流電力の電流、電圧及びその周波数の推移、及び、インバータ制御蓄電装置２０から出力される交流電力の周波数の推移を示すグラフである。図４から分かるように、インバータ制御発電装置１０から電力負荷装置９へ出力される交流電力の電流が閾値電流：Ｉ１より小さく且つ電圧が閾値電圧：Ｖ１より大きいとき（即ち、電力負荷装置９に対して安定した電力供給が行われているとき）、発電用インバータ１１及び蓄放電用インバータ２１は出力周波数を基準周波数に調整する。一方で、インバータ制御発電装置１０から電力負荷装置９へ出力される交流電力の電流が閾値電流：Ｉ１以上になると或いは電圧が閾値電圧：Ｖ１以下になると、発電用インバータ１１及び蓄放電用インバータ２１は、出力周波数を基準周波数から低下させる。

以上のように、インバータ制御発電装置１０の発電用インバータ１１は、発電手段Ｇの出力を基準周波数よりも低い周波数の交流電力に変換して出力することで、周波数を低下させない場合に比べて、出力する交流電力の電流の増大を抑制し及び電圧の低下を抑制している。その結果、発電用インバータ１１に流れる電流も抑制され、定格電流を大きく超える電流は発電用インバータ１１に流れないようにできる。加えて、インバータ制御蓄電装置２０の蓄放電用インバータ２１は、蓄電池２２の出力を基準周波数よりも低い周波数の交流電力に変換して出力することで、周波数を低下させない場合に比べて、出力する交流電力の電流の増大を抑制し及び電圧の低下を抑制している。

つまり、本発明に係る電力供給システムＳでは、システム内系統８が商用電源１から解列された自立運転の状態にあるときに電力負荷装置９が始動されて、電力負荷装置９に突入電流が流れたとしても、インバータ制御発電装置１０及びインバータ制御蓄電装置２０が、その突入電流を分担して供給する。その結果、インバータ制御発電装置１０の発電用インバータ１１に過電流が流れないようになる。尚、インバータ制御発電装置１０が負担する電流は発電手段Ｇで発電された電力であるのに対して、インバータ制御蓄電装置２０が負担する電流は蓄電池２２に蓄電された有限の電力であるが、インバータ制御蓄電装置２０が突入電流の一部を負担するとしても、突入電流が流れるのは短時間であるので、インバータ制御蓄電装置２０の蓄電量に対して大きな負担にはならない。

更に、本実施形態では、図２〜図４に示すように、自立運転時においてインバータ制御発電装置１０から電力負荷装置９へ出力される交流電力の電流が閾値電流：Ｉ１以上になったとき或いは電圧が閾値電圧Ｖ１以下になったとき、発電用インバータ１１が出力する交流電力の周波数は、蓄放電用インバータ２１が出力する交流電力の周波数よりも小さくなるように設定してある。つまり、発電用インバータ１１が出力する交流電力の周波数と、蓄放電用インバータ２１が出力する交流電力の周波数とを異ならせることで、インバータ制御発電装置１０が負担する電流とインバータ制御蓄電装置２０が負担する電流との分担割合を自在に異ならせることができる。更に、発電用インバータ１１が出力する交流電力の周波数を、蓄放電用インバータ２１が出力する交流電力の周波数よりも小さくすることで、発電用インバータ１１が負担する電流をより小さくできる。

加えて、本実施形態では、発電用インバータ１１及び蓄放電用インバータ２１のそれぞれは、インバータ制御発電装置１０及びインバータ制御蓄電装置２０が負担しなければならない電流が大きくなるにつれて、出力する交流電力の周波数を連続的に低下させて、インバータ制御発電装置１０及びインバータ制御蓄電装置２０が負担しなければならない電流をより抑制する方向へ制御する。その結果、インバータ制御発電装置１０の負担が大きくなり過ぎることを防止できる。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では、蓄電池２２を用いて蓄電手段を構成する例を記載したが、他の装置を用いて蓄電手段を構成してもよい。例えば、キャパシタやフライホイールなどを用いて蓄電手段を構成してもよい。
また、エンジン１４と発電機１３と整流器１２とを用いて発電手段Ｇを構成する例を記載したが、発電手段Ｇの構成を適宜変更してよい。

＜２＞
上記実施形態では、図２及び図３に示したように、電流が増大するにつれて連続的に且つ線形に出力周波数を低下させ、電圧が低下するにつれて連続的に且つ線形に出力周波数を低下させる垂下特性に従って発電用インバータ１１及び蓄放電用インバータ２１が動作する例を説明したが、他の形態の垂下特性に従って発電用インバータ１１及び蓄放電用インバータ２１が動作するように改変してもよい。例えば、発電用インバータ１１及び蓄放電用インバータ２１が、電流が増大するにつれて連続的に且つ非線形に出力周波数を低下させ、電圧が低下するにつれて連続的に且つ非線形に出力周波数を低下させる垂下特性に従って動作する場合や、電流が増大するにつれて段階的に出力周波数を低下させ、電圧が低下するにつれて段階的に出力周波数を低下させる垂下特性に従って動作するように改変してもよい。

本発明は、電力負荷装置及び発電装置がシステム内系統で接続され、電力負荷装置に対して発電装置から電力の供給が可能になっている電力供給システムにおいて利用できる。

９電力負荷装置
１０インバータ制御発電装置
１１発電用インバータ
１２整流器（発電手段Ｇ）
１３発電機（発電手段Ｇ）
１４エンジン（発電手段Ｇ）
２０インバータ制御蓄電装置
２１蓄放電用インバータ
２２蓄電池（蓄電手段）
Ｓ電力供給システム

Claims

電力負荷装置に電力を供給する電力供給システムであって、
発電手段、及び、商用電源から解列された自立運転時において前記発電手段の出力を基準電圧及び基準周波数の交流電力に変換して前記電力負荷装置へ出力可能な発電用インバータを有するインバータ制御発電装置と、
蓄電手段、及び、前記自立運転時に前記蓄電手段の出力を前記基準電圧及び前記基準周波数の交流電力に変換して前記電力負荷装置へ出力可能な蓄放電用インバータを有するインバータ制御蓄電装置と、を備え、
前記自立運転時において前記インバータ制御発電装置から前記電力負荷装置へ出力される交流電力の電流が閾値電流以上になると或いは電圧が閾値電圧以下になると、前記発電用インバータは、前記発電手段の出力を前記基準周波数よりも低い周波数の交流電力に変換して出力し、並びに、前記蓄放電用インバータは、前記蓄電手段の出力を前記基準周波数よりも低い周波数の交流電力に変換して出力する電力供給システム。
前記発電用インバータ及び前記蓄放電用インバータのそれぞれは、前記自立運転時において前記インバータ制御発電装置から前記電力負荷装置へ出力される交流電力の電流が閾値電流以上になると或いは電圧が閾値電圧以下になると、出力する交流電力の周波数を、前記インバータ制御発電装置から前記電力負荷装置へ出力される交流電力の電流が増大するにつれて或いは電圧が低下するにつれて前記基準周波数から連続的又は段階的に低下させる請求項１記載の電力供給システム。
前記自立運転時において前記インバータ制御発電装置から前記電力負荷装置へ出力される交流電力の電流が閾値電流以上になったとき或いは電圧が閾値電圧以下になったとき、前記発電用インバータが出力する交流電力の周波数と、前記蓄放電用インバータが出力する交流電力の周波数とは異なる請求項１又は２記載の電力供給システム。
前記自立運転時において前記インバータ制御発電装置から前記電力負荷装置へ出力される交流電力の電流が閾値電流以上になったとき或いは電圧が閾値電圧以下になったとき、前記発電用インバータが出力する交流電力の周波数は、前記蓄放電用インバータが出力する交流電力の周波数よりも小さい請求項３記載の電力供給システム。