JP2014023256A - パワーコンディショナシステム - Google Patents

Abstract

【課題】系統が停電した場合に、複数の電圧の電力を供給でき、系統連系時に使用中の負荷へ継続して電力供給可能なパワーコンディショナシステムを得ること。
【解決手段】直流電力を交流電力に変換し、系統連系時および自立運転時、出力端子１３から交流電力を出力するパワーコンディショナ２と、負荷９に対してパワーコンディショナ２と並列に接続可能であって、一次側電圧の入力を交流電力の電圧とし、二次側電圧として交流電力の電圧を分圧して出力し、一次側と二次側を絶縁しない単巻変圧器２１と、を備え、パワーコンディショナ２は、系統７の電力供給状態を監視し、系統７が電力供給中は系統７と接続して単巻変圧器２１との接続を遮断し、系統７の電力供給停止を検知した場合、系統７との接続を遮断し、単巻変圧器２１と出力端子１３とを接続する制御を行う制御部１２、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、パワーコンディショナシステムに関する。

従来、パワーコンディショナは、太陽電池や蓄電池の直流電力を、インバータを用いて電力会社から需要家に供給される系統の周波数及び電圧に応じた交流電力に変換し、系統と電気的に接続しながら住宅内負荷に電力を出力する。系統が停電した場合、自動もしくは手動の操作によりパワーコンディショナの運転を自立運転に切り替え、特定の住宅内負荷に電力を供給することで、停電時にも電気製品を使用することを可能にしている。一般的な住宅用のパワーコンディショナには、ＡＣ１００Ｖの電圧が出力される自立運転出力専用のコンセントが搭載されている。使用者は、このコンセントに電気機器の電源プラグを差し込んで停電時にも電気機器を使用することができる。

具体的に、下記特許文献１には、自立運転時において負荷への電力供給方法が開示されている。電力変換装置（パワーコンディショナに相当）では、太陽電池で発電した直流電力を電力変換装置内のインバータで交流電力に変換し、単相３線式の交流２００Ｖの系統と連系する。系統電圧２００Ｖの系統と連系するため、昇圧チョッパでは、インバータの入力に設置される平滑コンデンサの電圧を系統電圧のピーク値以上である概略３００Ｖ以上の電圧に昇圧する。系統に何らかの障害が発生した場合は電力変換装置と系統との連系接続を遮断し、電力変換装置は自立運転に切り替わる。このとき、インバータは、出力電圧が交流１００Ｖとなるように制御を行い、自立運転用の負荷に電力を供給する。

特開平９−１３５５７８号公報（図１）

しかしながら、上記従来の技術によれば、系統が停電した場合、パワーコンディショナが自立運転で出力できる電圧はＡＣ１００Ｖのみである。そのため、使用者は、１００Ｖ機器しか使用できず２００Ｖ機器を使用できない、という問題があった。

また、自立運転時に使用できる負荷は特定の負荷に限られ、系統連系時に使用していた負荷を自立運転時に使用するためには、使用者がパワーコンディショナの自立運転出力に接続する必要がある。一般的な住宅用のパワーコンディショナは、本体に自立運転時にＡＣ１００Ｖの電圧を出力する専用コンセントを設けているが、使用者は、電気製品をこのコンセントに接続する必要がある、という問題があった。

また、テレビ、冷蔵庫、洗濯機など、持ち運び困難な電気製品を使用する場合、パワーコンディショナの自立運転時の専用コンセントからテーブルタップなどを電気製品の電源コードが届く場所まで延長する必要があり、使い勝手がよくない、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、系統が停電した場合に、複数の電圧の電力を供給でき、系統連系時に使用中の負荷へ継続して電力供給可能なパワーコンディショナシステムを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、系統と連系して負荷に電力を供給するパワーコンディショナシステムであって、直流電力を交流電力に変換し、前記系統が電力供給中の系統連系時および前記系統が電力供給停止中の自立運転時において、出力端子から前記交流電力を出力するパワーコンディショナと、前記負荷に対して前記パワーコンディショナと並列に接続可能であって、一次側電圧の入力を前記交流電力の電圧とし、二次側電圧として前記交流電力の電圧を分圧して出力し、一次側と二次側を絶縁しない単巻変圧器と、を備え、前記パワーコンディショナは、前記系統の電力供給状態を監視し、前記系統が電力供給中は前記系統と接続して前記単巻変圧器との接続を遮断し、前記系統が電力供給を停止したことを検知した場合、前記系統との接続を遮断し、前記単巻変圧器と前記出力端子とを接続する制御を行う制御手段、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、系統が停電した場合に、複数の電圧の電力を供給でき、系統連系時に使用中の負荷へ継続して電力供給できる、という効果を奏する。

図１は、従来のパワーコンディショナシステムの構成例を示す図である。 図２は、実施の形態１のパワーコンディショナシステムの構成例を示す図である。 図３は、単巻変圧器の構成例を示す図である。 図４は、実施の形態１によるパワーコンディショナの自立運転時の住宅内の負荷への電力の供給を示す図である。 図５は、パワーコンディショナと単巻変圧器との接続を示す図である。 図６は、太陽電池と電気自動車に搭載される電池を併用したシステムの構成例を示す図である。 図７は、太陽電池と電気自動車に搭載される電池を併用したシステムの構成例を示す図である。

以下に、本発明にかかるパワーコンディショナシステムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
まず、従来のパワーコンディショナシステムの構成について簡単に説明する。図１は、従来のパワーコンディショナシステムの構成例を示す図である。単線結線図で示す。太陽電池１で発電した直流電力をパワーコンディショナ２´内のインバータ５で交流電力に変換し、単相３線式の交流２００Ｖの系統７と開閉器６を閉じて連系する。系統電圧２００Ｖの系統と連系するため、昇圧チョッパ３が、インバータ５の入力に設置される平滑コンデンサ４の電圧を系統電圧のピーク値以上である概略３００Ｖ以上に昇圧する。系統７に何らかの障害が発生した場合、開閉器６が開となってパワーコンディショナ２´と系統７との連系接続を遮断し、パワーコンディショナ２´は自立運転に切り替わる。このとき、インバータ５は出力電圧が交流１００Ｖとなる制御を行い、開閉器８を閉じて自立運転用電力を負荷９に供給する。このように、自立運転時は交流１００Ｖのみを出力する。

つづいて、本実施の形態に係るパワーコンディショナシステムについて説明する。図２は、本実施の形態のパワーコンディショナシステムの構成例を示す図である。単線結線図で示す。なお、図１と同一のものについては同一符号とする。以降も同様とする。

パワーコンディショナシステムは、太陽電池１と、接続箱１０と、パワーコンディショナ２と、分電盤１４と、電力量計１９と、系統７と、負荷９と、電磁接触器２０と、単巻変圧器２１と、を備える。パワーコンディショナ２は、インバータ５と、連系用開閉器１１と、制御部１２と、出力端子１３と、を備える。分電盤１４は、発電設備専用ブレーカ１５と、分岐用ブレーカ１６と、電磁接触器１７と、契約ブレーカ１８と、を備える。

図２において、パワーコンディショナ２には、直流電力を発電する太陽電池１から、太陽電池１の複数の並列回路を１つの回路に集電する接続箱１０を通じて直流電力が入力される。パワーコンディショナ２は、入力された直流電力をインバータ５で交流電力に変換し、変換後の交流電力を、連系用開閉器１１（電磁接触器やリレーが用いられる）、出力端子１３を介して、分電盤１４内の発電設備専用ブレーカ１５へ出力する。分電盤１４の契約ブレーカ１８（電力会社によっては設置しない場合もある）には、電力量計１９を介して、５０Ｈｚ或いは６０Ｈｚの系統７が接続されている。また、分電盤１４は、住宅内にある電気機器等の負荷９に電力を供給するため、各コンセントに配線するための分岐用ブレーカ１６を設置している。発電設備専用ブレーカ１５と契約ブレーカ１８との間には、系統７との電気的接続を開閉できる電磁接触器１７が設けられている。

分電盤１４の契約ブレーカ１８、発電設備専用ブレーカ１５、分岐用ブレーカ１６は通常オン状態となっており、系統７が正常な場合は、パワーコンディショナ２の制御部１２が系統７の受電部（図２では契約ブレーカ１８の二次側）の電圧Ｖｃを検出して、系統７と接続する電磁接触器１７をオンさせる。日射量が十分あり、パワーコンディショナ２が運転できる条件が整えば通常の系統連系運転を行い、パワーコンディショナ２は、単相２線式２００Ｖの電気方式で出力する。パワーコンディショナ２からの出力は柱上変圧器の二次側から単相３線式で引き込まれる受電点に接続されるため、住宅内の２００Ｖ、１００Ｖの両方の負荷に電力が供給可能である。

負荷９には、太陽電池１からの電力が供給され、負荷９の消費電力に対し、太陽電池１の発電量が不足する場合は、系統７から電力が補われ、負荷９の消費電力が少なく、太陽電池１の発電電力が余る場合は、余剰電力を系統７へ逆潮流する。系統７からの買電電力、系統７への売電電力は、それぞれ電力量計１９（図２では１個しか記載していない）が計測する。なお、パワーコンディショナ２への入力電力が蓄電池や電気自動車に搭載される電池の場合は、系統７への売電はできないため、図示はしないが、通常は受電部に系統７への逆電力を検出する逆電力継電器により、系統７へ余剰電力が流出することを防止している。

ここで、系統７で停電が発生した場合、受電点（図２では契約ブレーカ１８の二次側）の電圧Ｖｃが無くなったことをパワーコンディショナ２の制御部１２が検出し、自動または手動の操作により自立運転に移行する。自立運転時は、パワーコンディショナ２の出力電圧が系統７に印加されないよう、電気的に解列することが系統連系規程ＪＥＡＣ ９７０１−２０１０で定められているため、分電盤１４に設置された電磁接触器１７を開放することで系統７とは完全に電気的接続を絶っている。なお、系統連系規程にしたがい、解列用の電磁接触器１７は２個設置している。

自立運転に移行する場合、パワーコンディショナ２は、系統連系により電力を供給していたときは電力供給を停止し、自立運転による電力を出力（供給）する前に、電磁接触器２０を介して出力端子１３と単巻変圧器２１とを接続する。図３は、単巻変圧器の構成例を示す図である。図３に示すように、単巻変圧器２１は、一次側電圧が２００Ｖであり、二次側電圧として１００Ｖを２組出力でき、一次側と二次側を絶縁しない構成である。パワーコンディショナ２は、系統連系時と同じ電気方式である単相２線式２００Ｖで出力し、住宅内の配線を通して、系統連系時と同様に負荷９に電力を供給する。

図４は、本実施の形態によるパワーコンディショナの自立運転時の住宅内の負荷への電力の供給を示す図である。複線結線図であり、説明に必要な構成のみを図示している。一般の住宅は、通常、２００Ｖ機器、１００Ｖ機器の両方が使用できるよう電力会社からは柱状変圧器の二次側から単相３線式の電気方式で受電している。３線の内、１線は接地されている中性線２２であり、パワーコンディショナ２の出力端子１３には、中性線２２を含めた３線が接続されている。系統連系時、パワーコンディショナ２の内部では、中性線２２を基準とした２つの１００Ｖ電圧に対し、系統７の過電圧、不足電圧に対し保護を行っている。

自立運転時、パワーコンディショナ２の制御部１２は、分電盤１４内の電磁接触器１７を開放するため、系統７とは電気的接続が絶たれる。パワーコンディショナシステムでは、図４に示す連系用開閉器１１、発電設備専用ブレーカ１５、分岐用ブレーカ１６、電磁接触器２０を全て閉じた状態として自立運転時の電力配線網を形成する。自立運転時、パワーコンディショナシステムでは、パワーコンディショナ２が系統連系時と同じ電気方式である単相２線式２００Ｖの電圧が出力し、単巻変圧器２１において２つの１００Ｖ電圧を生成し、１００Ｖ負荷９ａ、２００Ｖ負荷９ｂの両方に電力を供給することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、パワーコンディショナ２は、系統７が正常である系統連系運転時、系統７が停電した場合の自立運転時、いずれのときも同じ電気方式である単相２線式２００Ｖで出力しており、自立運転時は、一次側電圧２００Ｖ、二次側電圧１００Ｖを２組出力でき、一次側と二次側を絶縁しない単巻変圧器２１と接続する。単巻変圧器２１は、パワーコンディショナ２が出力するＡＣ２００Ｖの出力を２組のＡＣ１００Ｖの電圧に変換する。これにより、分電盤１４を介して、２００Ｖ負荷９ｂおよび１００Ｖ負荷９ａへの電力供給が可能となり、パワーコンディショナ２から、系統連系時と同様に各負荷に電力を供給することができる。

また、自立運転時も住宅内の配線に接続されている電気製品（負荷）に、電力を供給することができるため、従来のように家電機器をパワーコンディショナの自立運転出力専用コンセントに接続する必要がなく、テレビ、冷蔵庫、洗濯機など通常固定した場所に設置して使用する機器に、そのまま電力を供給することができる。

なお、本実施の形態では、単巻変圧器２１の二次側中性点を接地する構成とする。これにより、自立運転時にパワーコンディショナ２から出力されるＡＣ２００Ｖの電圧が対地に対して位相が１８０度異なる二組の１００Ｖの電圧を生成し、屋内配線の対地電圧が電気設備の技術基準で規定される１５０Ｖ以下とすることができ、万一の感電事故時の人体への影響を軽減することができる。

また、家庭向けのシステムについて説明したが、これに限定するものではない。パワーコンディショナ側が２００Ｖ以外の交流電力を出力し、単巻変圧器での分圧により１００Ｖ以外の出力を得ることも可能である。

実施の形態２．
本実施の形態では、系統が停電時、自動または手動の操作で自立運転に切り替える場合に、ＤＣ励磁機械ラッチ式の電磁接触器によりパワーコンディショナと単巻変圧器とを接続する。実施の形態１と異なる部分について説明する。

図５は、パワーコンディショナと単巻変圧器との接続を示す図である。複線結線図で示す。ここでは、電磁接触器２０に替えてＤＣ励磁機械ラッチ式の電磁接触器２０ａを備える。系統７が停電し、自立運転に切替えられると、系統７による交流電源が喪失する。そのため、パワーコンディショナ２では、制御部１２の制御により電磁接触器２０ａを操作して、パワーコンディショナ２の出力端子１３と単巻変圧器２１を接続する。ここで、電磁接触器２０ａをＤＣ励磁仕様とすることで、投入用コイル２３を太陽電池１の直流電力で励磁してオンすることができる。また、引外し用のコイル２４も同様の構成とすることで、太陽電池１の直流電力で励磁してオフすることができる。

このように、電磁接触器２０ａの接点を機械ラッチ式仕様とすることで、電磁接触器２０ａ投入（オン）後は投入用コイル２３に励磁電力を供給し続ける必要がないため、投入後の電力を必要とせず、消費電力を節約できることが可能となる。また、停電時、系統７からのＡＣ電源による電磁接触器２０ａの投入が不可能な状況で、太陽電池１などのＤＣ電源で操作用コイルを励磁して電磁接触器２０ａを投入することができる。

実施の形態３．
実施の形態１、２では、自立運転時の電力供給源を太陽電池としているが、これに限定するものではない。電力供給源を蓄電池や将来普及が見込まれる電気自動車の電池に置き換えても同様な効果を奏でることは言うまでもない。さらに、太陽電池だけでは日射量に左右されて電力供給が不安定となるため、電力供給源として、太陽電池以外に、据え置き型の蓄電池、また電気自動車用の電池を併用したシステムで構成した方が、自立運転時の家庭内電気製品への電力供給の安定度が増すことも想定される。

図６は、太陽電池と電気自動車に搭載される電池を併用したシステムの構成例を示す図である。単線結線図で示す。図６では、電力供給源に太陽電池１と蓄電池２５を設置し、それぞれの直流電力を交流電力に変化するパワーコンディショナ２ａ、２ｂを介し、その出力が分電盤１４ａ内で、専用ブレーカ１５ａ、１５ｂを介して電気的に接続される。分電盤１４ａは、専用ブレーカを２つ備え、変流器２７を備える点が分電盤１４と異なる。

系統連系時は、系統７の周波数に同期した電圧をそれぞれのパワーコンディショナ２ａ、２ｂが出力し、負荷９に電力を供給する。なお、蓄電池２５の電力は系統７に流す（逆潮流）ことができないため、分電盤１４ａ内に設けている変流器２７により、パワーコンディショナ２ｂは逆潮流電流の系統７への流出を防止している。

自立運転時、パワーコンディショナ２ｂの制御部１２ｂが停電を検出し、分電盤１４ａ内の電磁接触器１７を開放する。次に、パワーコンディショナ２ｂの制御部１２ｂは、電磁接触器２０を制御して単巻変圧器２１と接続し、ＡＣ２００Ｖの電圧を出力する。また、パワーコンディショナ２ｂの制御部１２ｂは、太陽電池１を電力供給源とし停電を検出して停止状態にあるパワーコンディショナ２ａの制御部１２ａに対して、通信線２６を介して自立運転への指令を与え、パワーコンディショナ２ａを自立運転させる。自立運転時、両パワーコンディショナ２ａ、２ｂが出力する電圧が悪影響を及ばさないよう位相を同期させるなどの制御を必要とするが、詳細な制御の内容については割愛する。

なお、ここでは、蓄電池２５を電力供給源とするパワーコンディショナ２ｂの制御部１２ｂが、自立運転へ移行するシステムを担っていたが、これに限定するものではない。例えば、システム全体を制御する制御部を別に設置し、２つのパワーコンディショナ２ａ、２ｂを制御する形態をとってもよい。

また、図６では、パワーコンディショナ２ａ、２ｂ、電磁接触器２０、単巻変圧器２１を個別機器としてシステムを構築しているが、これらの機器を１つの筐体に収納した構成にすることも可能である。特に単巻変圧器２１を使用することで、筐体の小型化、軽量化を実現することができる。図７は、太陽電池と電気自動車に搭載される電池を併用したシステムの構成例を示す図である。単線結線図で示す。図７に示すように、各機器を屋外設置に対応した筐体２８に納めれば、施工工事が容易になるなどの利点も発生する。

なお、各実施の形態において個別に特徴的な動作を説明したが、各実施の形態を自由に組み合わせ、また、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

以上のように、本発明にかかるパワーコンディショナシステムは、系統と連系したシステムに有用であり、特に、系統が停電した場合に適している。

１ 太陽電池、２，２´，２ａ，２ｂ パワーコンディショナ、３ 昇圧チョッパ、４ 平滑コンデンサ、５ インバータ、６ 開閉器、７ 系統、８ 開閉器、９ 負荷、９ａ １００Ｖ負荷、９ｂ ２００Ｖ負荷、１０ 接続箱、１１ 連系用開閉器、１２ 制御部、１３ 出力端子、１４，１４ａ 分電盤、１５，１５ａ，１５ｂ 発電設備専用ブレーカ、１６ 分岐用ブレーカ、１７ 電磁接触器、１８ 契約ブレーカ、１９ 電力量計、２０，２０ａ 電磁接触器、２１ 単巻変圧器、２２ 中性線、２３ 投入用コイル、２４ 引き外し用コイル、２５ 蓄電池、２６ 通信線、２７ 変流器、２８ 筐体。

Claims (5)

1. 系統と連系して負荷に電力を供給するパワーコンディショナシステムであって、
   直流電力を交流電力に変換し、前記系統が電力供給中の系統連系時および前記系統が電力供給停止中の自立運転時において、出力端子から前記交流電力を出力するパワーコンディショナと、
   前記負荷に対して前記パワーコンディショナと並列に接続可能であって、一次側電圧の入力を前記交流電力の電圧とし、二次側電圧として前記交流電力の電圧を分圧して出力し、一次側と二次側を絶縁しない単巻変圧器と、
   を備え、
   前記パワーコンディショナは、
   前記系統の電力供給状態を監視し、前記系統が電力供給中は前記系統と接続して前記単巻変圧器との接続を遮断し、前記系統が電力供給を停止したことを検知した場合、前記系統との接続を遮断し、前記単巻変圧器と前記出力端子とを接続する制御を行う制御手段、
   を備えることを特徴とするパワーコンディショナシステム。
2. 前記単巻変圧器は、二次側の中性点を接地する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のパワーコンディショナシステム。
3. 前記出力端子と前記単巻変圧器とを接続する接触器として、直流電圧励磁の機械ラッチ式電磁接触器、
   を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のパワーコンディショナシステム。
4. 直流電力源が複数ある場合、前記パワーコンディショナを前記直流電力源と同数備え、前記系統が電力供給を停止したことを検知した一のパワーコンディショナの制御手段が、他のパワーコンディショナの制御手段に対して自立運転を指令する、
   ことを特徴とする請求項１、２または３に記載のパワーコンディショナシステム。
5. 前記パワーコンディショナは、前記直流電力を変換して２００Ｖの交流電力を前記出力端子から単相２線式２００Ｖで出力し、
   前記単巻変圧器は、前記一次側電圧が２００Ｖであり、前記二次側電圧１００Ｖを２組出力する、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のパワーコンディショナシステム。

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