JP2011193686A

JP2011193686A - 自律型負荷軽減装置

Info

Publication number: JP2011193686A
Application number: JP2010059278A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Suzuki; 宏和鈴木; Yoshiaki Yoshida; 義昭吉田; Takashi Sasatani; 崇笹谷; Hiroshi Hamada; 拓濱田
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2011-09-29

Abstract

【課題】精度を確保可能であって、且つ小型化および低廉化の双方を満たすことが可能な自律型負荷軽減装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の自律型負荷軽減装置１００の構成は、オペアンプ１０２ａを含むアナログ回路で構成され定格周波数よりも低周波域の交流電力を通過させる第１バンドパスフィルタ１０２と、オペアンプ１０２ａを含むアナログ回路で構成され定格周波数よりも高周波域の交流電力を通過させる第２バンドパスフィルタ１０４と、第１バンドパスフィルタ１０２と第２バンドパスフィルタ１０４の出力電圧の電圧差を出力する減算器１０６と、電力系統から印加された電圧で電圧差を除算することにより電圧比差を出力する除算器１０８と、電圧比差が所定の閾値以上かを判定する判別器１１０と、判別器１１０が閾値以上と判定した場合に系統の負荷を低減させる装置制御部１１２とを備えることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、電力系統に連系する負荷をその周波数に基づき調整する自律型負荷軽減装置に関するものである。

電力系統の周波数は、電気事業法において「その者が供給する電気の標準周波数（定格周波数）に等しい値に維持する」と定められている。電力系統の周波数は、需要家の電力使用量に追随して変動し得るため、発電機の出力を調整することにより合わせられているが、常時正確に維持することは困難である。そこで、当業者らは周波数誤差を上下０．２Ｈｚ以内、時差（標準周波数から周波数がずれた場合にその周波数を利用した時計に生じる誤差）を前後１０秒以内とすることを目標に掲げている。

電力系統において定格周波数を維持するための技術は、従来から提案されている。例えば、特許文献１には、自然エネルギー利用の小容量発電装置が多数接続され、これらの出力変動特性が供給側（送電側）の周波数調整能力を超え得る電力系統に対し、需要家側の負荷機器の消費電力を調整して電力系統の周波数が定格周波数になるように制御する技術が開示されている。

ところで、近年では、需要家の需要に合わせて電力を供給することにより、電力の無駄を無くす（最適化する）要請がより高まっている。米国を発端として先進国および諸外国では、電力系統のインフラをネットワーク化して電力需給を自動的に調整させるスマートグリッド（Smart Grid）と呼ばれる次世代電力網が検討されている。

非特許文献１では、スマートグリッドに関して具体的に説明されている。また、非特許文献１の第１０頁には家庭用電気機器に組み込まれて電力系統の周波数低下を検知し、その出力を制限するＧＦＡコントローラ（Grid Friendly appliance controller）が開示されている。ＧＦＡコントローラは、ＬＳＩ（large-scale integration）を含んで構成されるデジタル式検波回路で電力系統の周波数を検知する。

特開２００６−４２４５８号公報

"ユビキタス・パワーネットワーク（日本型先進スマートグリッド）について"、東京大学大学院工学系研究科先端電力エネルギー・環境技術教育研究センター Center For Advanced Power ＆ Environmental Technology （ＡＰＥＴ）、[平成２２年２月２５日検索]、インターネット＜URL：http://www.apet.t.u-tokyo.ac.jp/UbiquitousPowerGrid.pdf#search='UbiquitousPowerGrid'＞

デジタル式検波回路には、代表的なものとしてゲート方式とレシプロカル方式がある。ゲート方式は、所定の時間内（例えば１秒間）に入力された計測パルスの数に基づき周波数を求める。ただしゲート方式では、計測パルスが低周波の場合にはゲートを開ける時間を長くする必要があるため、測定時間が長くなるという問題がある。

レシプロカル方式は、計測パルスのエッジ間隔内に計測された基準クロック数を逆算して周波数を求める。ただしレシプロカル方式では、計測パルスが基準クロックの周波数（動作周波数）に近づくほど誤差が増大するため、基準クロック数を十分に高く（例えば、計測パルスの２倍以上に）する必要がある。基準クロック数を高くするためには、各素子に高価な部品を使用する必要があるため、コストが増大する問題がある。

また、デジタル式検波回路では、Ａ／Ｄ変換ＩＣ（Integrated Circuit）、周波数発振器（クリスタルオシレータ）、タイマＩＣ（周波数を制御する位相同期回路（PLL:Phase-locked loop））、演算処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）などの各種のＬＳＩと、これらに所定の電圧を供給する定電圧電源が必要となる。このためデジタル式検波回路は必然的に基板サイズが大型化し、また価格も下げにくいものである。

今後、様々な電気機器に対し周波数検波回路が利用されることを考えた場合、小型であることに加え低廉性が求められる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、精度を確保可能であって、且つ小型化および低廉化の双方を満たすことが可能な自律型負荷軽減装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の代表的な構成は、電力系統から電力が供給される電気機器に接続される自律型負荷軽減装置であって、オペアンプを含むアナログ回路で構成され電力系統の定格周波数よりも低周波域の交流電力を通過させる第１バンドパスフィルタと、オペアンプを含むアナログ回路で構成され定格周波数よりも高周波域の交流電力を通過させる第２バンドパスフィルタと、第１バンドパスフィルタの出力電圧と第２バンドパスフィルタの出力電圧の電圧差を出力する減算器と、電力系統から印加された電圧で電圧差を除算することにより電圧比差を出力する除算器と、電圧比差が所定の閾値以上か否かを判定する判別器と、判別器が閾値以上と判定した場合に電気機器が電力系統にかける負荷を低減させる装置制御部とを備えることを特徴とする。

かかる構成では、アナログ式の回路構成により電力系統の定格周波数からのずれを精度良く検知し、この系統の負荷を低減することが可能である。デジタル回路と比較すると、装置制御部の他に、２つのバンドパスフィルタ（BPF:Band pass filter）、減算器、除算器、および判別器しか必要としないので、簡略な回路構成となり、装置の小型化および低廉化を図ることができる。またバンドパスフィルタを受動素子のアナログ回路で組む場合には、抵抗とインダクタ（コイル）を用いることも考えるが、この場合にはインダクタが大きなものを使用する必要があるため、バンドパスフィルタをオペアンプで構成することにより飛躍的に小型化することが可能である。

上記定格周波数が、第１アナログバンドパスフィルタの通過帯域および第２アナログバンドパスフィルタの通過帯域のほぼ中間にあたるとよい。

かかる構成では、上記電圧差（電圧比差）のゼロクロスポイントを定格周波数に設定することができる。これより、定格周波数からのずれを正確に検知することが可能である。

当該自律型負荷軽減装置は、上記電気機器の動作を制御する動作制御部に接続されていて、装置制御部は、判別器が閾値以上と判定した場合に、動作制御部に電気機器の出力を制限させるとよい。

かかる構成によれば、電力系統の周波数低下時（需給逼迫時）に各電気機器の出力を制限させて、過負荷を防止することができる。

当該自律型負荷軽減装置は、建物内の分電盤の複数の遮断器に接続されていて、装置制御部は、判別器が閾値以上と判定した場合に、少なくとも１つの遮断器を作動させて電流を遮断させてもよい。

かかる構成によれば、電力系統の周波数低下時（需給逼迫時）に分電盤の遮断器を作動させて電流を遮断させ、過負荷を防止することができる。

本発明によれば、精度を確保可能であって、且つ小型化および低廉化の双方を満たすことが可能な自律型負荷軽減装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態にかかる自律型負荷軽減装置を内蔵する電気機器の概略構成を例示する図である。図１の自律型負荷軽減装置の概略構成を示すブロック図である。図２の第１バンドパスフィルタおよび第２バンドパスフィルタの回路図である。第１バンドパスフィルタおよび第２バンドパスフィルタの出力電圧と、電力系統の周波数との関係を例示する図である。除算器が出力した電圧比差と電力系統の周波数との関係を例示する図である。本発明の第２実施形態にかかる自律型負荷軽減装置について例示する図である。比較例としての２つのバンドパスフィルタを並列に接続した回路図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

[第１実施形態]
図１は、本発明の第１実施形態にかかる自律型負荷軽減装置１００を内蔵する電気機器の概略構成（コンセプト）を例示する図である。ここでは、電気機器としてエアコン１１４を例示して説明するが、冷蔵庫、洗濯機、テレビ、ラジオなどであってもよい。

自律型負荷軽減装置１００は、電力系統の定格周波数からのずれが所定以上となった場合に、エアコン１２０の動作制御部１１６に制御信号を送信する。例示すると、電力系統の定格周波数は、東日本では５０Ｈｚ、西日本では６０Ｈｚである。以下では、定格周波数が５０Ｈｚの場合を想定して説明する。

動作制御部１１６は、ＣＰＵを含む半導体集積回路により、エアコン１１４全体の本来の動作を管理および制御する。自律型負荷軽減装置１００から上記制御信号を受信した動作制御部１１６は、エアコン１１４のインバータやモータ等の出力を落とす。これにより、エアコン１１４が電力系統にかける負荷を低減する。

図２は、自律型負荷軽減装置１００の概略構成を示すブロック図である。以下、図２を参照しながら自律型負荷軽減装置１００が上記制御信号を送信する機構について説明する。

自律型負荷軽減装置１００に印加された電圧Ｖ_inは、まず第１バンドパスフィルタ１０２および第２バンドパスフィルタ１０４に入力される。第１バンドパスフィルタ１０２は、電力系統の定格周波数よりも低周波域の交流電力を通過させる。第２バンドパスフィルタ１０４は、電力系統の定格周波数よりも高周波域の交流電力を通過させる。

図３は、第１バンドパスフィルタ１０２および第２バンドパスフィルタ１０４の回路図である。表１に、第１バンドパスフィルタ１０２および第２バンドパスフィルタ１０４の通過帯域と各素子の値を例示する。第１バンドパスフィルタ１０２および第２バンドパスフィルタ１０４は、各素子の値が異なるだけであり、同一の回路構成を有する。

表１に示すように、ここでは第１バンドパスフィルタ１０２の通過帯域fが４９Ｈｚ、第２バンドパスフィルタ１０４の通過帯域fが５１Ｈｚに設定される。すなわち、定格周波数である５０Ｈｚがこれらのちょうど中間にあたることとなる。

図３に示すように、第１バンドパスフィルタ１０２、第２バンドパスフィルタ１０４はともに、オペアンプ１０２ａを含むアナログ回路で構成される。詳細には、かかるアナログ回路は、オペアンプ１０２ａの他に抵抗値Ｒ₁の抵抗器１０２ｂ、抵抗値Ｒ₂の抵抗器１０２ｃ、抵抗値Ｒ₃の抵抗器１０２ｄ、キャパシタンスＣ₁のキャパシタ１０２ｅ、キャパシタンスＣ₂のキャパシタ１０２ｆとを含んで構成される。これらの出力電圧Ｖ_outは、下記の式１で求められる。なお、交流の角周波数ω₀は下記の式２で表される。

以下では、第１バンドパスフィルタ１０２の出力電圧Ｖ_outをＶ_Lとし、第２バンドパスフィルタ１０４の出力電圧Ｖ_outをＶ_Hとする。

第１バンドパスフィルタ１０２および第２バンドパスフィルタ１０４の伝達関数Ｈ(s)は、下記の式３で求められる。

図７は、比較例としてのＬＣ回路で構成した２つのバンドパスフィルタ１２、１４を並列に接続した回路図である。表２に、バンドパスフィルタ１２、１４の通過帯域のピークと各素子の値を例示する。

バンドパスフィルタ１２は、インダクタンスＬ₁のインダクタ１２ａ、キャパシタンスＣ₃のキャパシタ１２ｂ、抵抗値Ｒ₄の抵抗器１２ｃを含んで構成され、電力系統の定格周波数よりも低周波域の交流電力を通過させる。このバンドパスフィルタ１２の出力電圧Ｖ_LRは、下記の式４で求められる。なお、ここでの「定格周波数よりも低周波域」とは、その通過帯域のピークが定格周波数よりも低周波域であることとする。

バンドパスフィルタ１４は、インダクタンスＬ₂のインダクタ１４ａ、キャパシタンスＣ₄のキャパシタ１４ｂ、抵抗値Ｒ₅の抵抗器１４ｃを含んで構成され、電力系統の定格周波数よりも高周波域の交流電力を通過させる。このバンドパスフィルタ１４の出力電圧Ｖ_HRは、下記の式５で求められる。なお、ここでの「定格周波数よりも高周波域」とは、その通過帯域のピークが定格周波数よりも高周波域であることとする。

表２に示すように、上記のバンドパスフィルタ１２、１４では、高インダクタンスのインダクタ１２ａ、１４ａが必要となる（表２参照）。しかし、高インダクタンスのインダクタ１２ａ、１４ａはその大きさが大きくなる（巻数が多くなる）ので、小型化が困難となる。これに比して、第１実施形態では、第１バンドパスフィルタ１０２および第２バンドパスフィルタ１０４をオペアンプ回路で構成したことにより、飛躍的に小型化を達成することが可能である。

図４は、第１バンドパスフィルタ１０２および第２バンドパスフィルタ１０４の出力電圧Ｖ_L、Ｖ_Hと、電力系統の周波数との関係を例示する図である。減算器１０６には、第１バンドパスフィルタ１０２の出力電圧Ｖ_Lと、第２バンドパスフィルタ１０４の出力電圧Ｖ_Hとが入力される。そして、減算器１０６は、出力電圧Ｖ_Lと出力電圧Ｖ_Hとの電圧差Ｖ_L−Ｖ_Hを出力する。

図５は、除算器１０８が出力した電圧比差と電力系統の周波数との関係を例示する図である。除算器１０８は、減算器１０６から入力される電圧差Ｖ_L−Ｖ_Hを電力系統から印加された電圧Ｖ_inで除算することにより、電圧比差Ｖ_L−Ｖ_H／Ｖ_inを出力する。

ここで、第１実施形態では、定格周波数５０Ｈｚが、第１バンドパスフィルタ１０２の通過帯域（４９Ｈｚ）と、第２バンドパスフィルタ１０４の通過帯域（５１Ｈｚ）のちょうど中間にあたるように設定されている。換言すれば、電圧差（電圧比差）のゼロクロスポイントが定格周波数に設定されている。これにより、定格周波数からのずれを正確に検知することが可能となる。

図２に戻り、電圧比差Ｖ_L−Ｖ_H／Ｖ_inは、判別器１１０に入力される。判別器１１０は、電圧比差Ｖ_L−Ｖ_H／Ｖ_inが所定の閾値以上か否かを判定する。例えば、所定の閾値を０．３[ｐｕ]とすることができる。これにより、電力系統の周波数が約０．４Ｈｚ落ちた場合に、判別器１１０に検知させることができる。

装置制御部１１２は中央処理装置たるＣＰＵを含んで構成され、判別器１１０が上記閾値以上と判定した場合に上述した制御信号を送信する。

上述した構成によれば、電力系統の周波数低下時（需給逼迫時）にエアコン１１４の出力を制限させて、過負荷を防止することができる。また、装置制御部１１２の他に、２つのバンドパスフィルタ１０２、１０４、減算器１０６、除算器１０８、および判別器１１０しか必要としないので、簡略な回路構成となり、装置の小型化および低廉化を図ることができる。

[第２実施形態]
図６は、本発明の第２実施形態にかかる自律型負荷軽減装置２００について例示する図である。第２実施形態では、自律型負荷軽減装置２００が建物内の分電盤２０２に外付けされる。分電盤２０２には、遮断器２０４として、サービスブレーカ２０６（SB:Service breaker）、漏電ブレーカ２０８（ELB: Earth Leakage circuit Breaker）、配線用ブレーカ２１０ａ〜２１０ｌ（MCCB:Molded Case Circuit Breaker）が備えられる。配線用ブレーカ２１０ａは建物内の差込口２２０のコンセント２２０ａに接続され、配線用ブレーカ２１０ｂは同一の差込口２２０のコンセント２２０ｂに接続される。

自律型負荷軽減装置２００は、第１実施形態と同様に、第１バンドパスフィルタ１０２、第２バンドパスフィルタ１０４、減算器１０６、除算器１０８、判別器１１０を有し、電力系統の定格周波数５０Ｈｚからのずれが所定以上となったことを検知する。そして、周波数のずれが所定以上となった場合には、装置制御部２１２が分電盤２０２の少なくとも１つの配線用ブレーカ２１０ａ〜２１０ｌを作動させて電流を遮断させる。これにより、電力系統にかける負荷を低減させる。

なお、配線用ブレーカ２１０ａ〜２１０ｌを、マグネットコンタクタとして構成することで、信号で開閉状態を容易に制御することが可能である。

配線用ブレーカ２１０ａ〜２１０ｌは、各々に優先度が定められている。装置制御部２１２は、その優先度に基づき各ブレーカを作動させる。例えば、配線用ブレーカ２１０ａの優先度が配線用ブレーカ２１０ｂの優先度よりも低い場合には、電力系統の定格周波数５０Ｈｚからのずれが所定以上となった場合に配線用ブレーカ２１０ａが作動されその電流供給が停止される。

よって、配線用ブレーカ２１０ａを介した電流供給が停止され、配線用ブレーカ２１０ｂを介した電流供給が存続する。換言すれば、コンセント２２０ａからの電力供給が停止され、コンセント２２０ｂからの電力供給が存続する。そのため、例えば、テレビ、ラジオ等のように電力供給が停止されても然程影響のない電気機器をコンセント２２０ａに接続し、ノートパソコン等の電力供給を停止すべきでない電気機器をコンセント２２０ｂに接続すればよい。

なお、差込口のコンセント２２０ａ、２２０ｂをその優先度に応じて色分けするとよい。ここでは、優先度の高い差込口２２０ｂに印刷２２０ｃを施している。これにより、電力系統の需給逼迫時に存続するコンセント２２０ｂを容易に把握することができる。

なお、上記では、装置制御部２１２が配線用ブレーカ２１０ａ〜２１０ｌを作動させるものとして説明したが、サービスブレーカ２０６を作動させて電流を遮断させてもよい。

上述した構成によれば、電力系統の周波数低下時（需給逼迫時）に分電盤２０２の遮断器２０４を作動させて電流を遮断させ、過負荷を防止することができる。また、装置制御部２１２の他に、２つのバンドパスフィルタ１０２、１０４、減算器１０６、除算器１０８、および判別器１１０しか必要としないので、簡略な回路構成となり、装置の小型化および低廉化を図ることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、電力系統に連系する負荷をその周波数に基づき調整する自律型負荷軽減装置として利用することができる。

１００、２００…自律型負荷軽減装置、１０２…第１バンドパスフィルタ、１０２ａ…オペアンプ、１０２ｂ〜１０２ｄ…抵抗器、１０２ｅ、１０２ｆ…キャパシタ、１０４…第２バンドパスフィルタ、１０６…減算器、１０８…除算器、１１０…判別器、１１２…装置制御部、１１４…エアコン、１１６…動作制御部、２０２…分電盤、２０４…遮断器、２０６…サービスブレーカ、２０８…漏電ブレーカ、２１０ａ〜２１０ｌ…配線用ブレーカ、２１２…装置制御部、２２０…差込口、２２０ａ、２２０ｂ…コンセント

Claims

電力系統から電力が供給される電気機器に接続される自律型負荷軽減装置であって、
オペアンプを含むアナログ回路で構成され、電力系統の定格周波数よりも低周波域の交流電力を通過させる第１バンドパスフィルタと、
オペアンプを含むアナログ回路で構成され、前記定格周波数よりも高周波域の交流電力を通過させる第２バンドパスフィルタと、
前記第１バンドパスフィルタの出力電圧と前記第２バンドパスフィルタの出力電圧の電圧差を出力する減算器と、
前記電力系統から印加された電圧で前記電圧差を除算することにより電圧比差を出力する除算器と、
前記電圧比差が所定の閾値以上か否かを判定する判別器と、
前記判別器が前記閾値以上と判定した場合に、前記電気機器が前記電力系統にかける負荷を低減させる装置制御部と、
を備えることを特徴とする自律型負荷軽減装置。
前記定格周波数が、前記第１アナログバンドパスフィルタの通過帯域および前記第２アナログバンドパスフィルタの通過帯域のほぼ中間にあたることを特徴とする請求項１に記載の自律型負荷軽減装置。
当該自律型負荷軽減装置は、前記電気機器の動作を制御する動作制御部に接続されていて、
前記装置制御部は、前記判別器が前記閾値以上と判定した場合に、前記動作制御部に前記電気機器の出力を制限させることを特徴とする請求項１または２に記載の自律型負荷軽減装置。
当該自律型負荷軽減装置は、建物内の分電盤の複数の遮断器に接続されていて、
前記装置制御部は、前記判別器が前記閾値以上と判定した場合に、少なくとも１つの前記遮断器を作動させて電流を遮断させることを特徴とする請求項１または２に記載の自律型負荷軽減装置。