JP2014030302A - 品質別直流給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】自然エネルギーを可能な限り活用しつつ、必要最低限の電力を商用電力から安定して負荷に供給する直流給電システムを供給する。
【解決手段】本発明の直流給電システムは、自然エネルギーによる発電電力を出力する自然エネルギー電源と、商用電源と、前記商用電源からの電力を直流に変換する整流装置と、前記自然エネルギー電源の電力を、負荷機器に供給する自然エネルギー系統の給電線と、前記整流装置により変換された電力を、負荷機器に供給する商用電源系統の給電線と、前記自然エネルギー系統の給電線と前記商用電源系統の給電線との間に、前記自然エネルギー系統の給電線から前記商用電力系統の給電線に向けてのみ電流が流れるように接続されたダイオードとを備え、前記自然エネルギー電源による発電電力の出力電圧を、前記整流装置の出力電圧よりも高く設定したことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、直流給電システムに関し、より詳細には、自然エネルギーを可能な限り活用しつつ、必要最低限の電力を商用電力から安定して負荷に供給する品質別直流給電システム装置に関する。

太陽光発電や風力発電等の自然エネルギーによる発電を利用したシステムが知られている。このようなシステムは、予期しない自然エネルギーによる発電量の低下により給電システム全体の電力供給量が不足になり、システム全体がダウンする恐れがある。このような場合、商用電力と太陽光発電や風力発電等の自然エネルギーによる発電を利用し、システム全体のダウンを防止することが考えられる。

図１は、特許文献１に記載の直流配線システムの一部を示すブロック図である。特許文献１に記載の直流給電システムは、燃料電池や太陽電池等の直流電流及び商用電力等の交流電流を併用し、直流又は交流に変換し、直流及び交流コンセントへ給電するシステムであるが、図１は、そのうち直流用コンセントの部分を示している。

図１においては、商用電源２１は整流装置２２により直流に変換され、直流電流を出力する太陽光発電（太陽電池）等の自然エネルギー電源１１の出力に接続される。商用電源２１の直流に変換された出力と太陽電池等の自然エネルギー電源１１からの出力は統合され、各負荷機器（直流機器）３１〜３４に分配される。このようなシステム構成により、予期しない自然エネルギーによる発電量の低下により給電システム全体の電力供給量が不足になった場合でも、商用電源２１からの給電により、システム全体がダウンすることを防止することができる。

特開２００３−２０４６８２号公報

しかし、システム全体のダウンを防止するために、全ての電力を商用電力だけで賄える出力を有する整流装置を用意すると、整流装置のコストが高くなる。また、重要度が高く電力を確実に供給する必要がある負荷機器のみに対しては常に整流装置から電力を供給し、それ以外の負荷機器には自然エネルギーによる発電から電力を供給するように、システムを完全に分離すると、自然エネルギーによる発電で余剰電力が発生した際に、整流装置が電力を供給するシステムにこの余剰電力を供給することができず、商用電力利用によるコスト増、ＣＯ２排出増につながることになる。

太陽光・風力発電を利用しているシステムにおいて、自然エネルギーの発電量に関わらずに重要度の高い負荷を稼動するために必要な電力を商用電源から供給するための整流装置を付加したシステムで、自然エネルギーを可能な限り活用しつつ、必要最低限の電力を商用電力から安定して負荷に供給する直流給電システムを供給する。

具体的には、本発明の直流給電システムは、自然エネルギーによる発電電力を出力する自然エネルギー電源と、商用電源と、前記商用電源からの電力を直流に変換する整流装置と、前記自然エネルギー電源の電力を、負荷機器に供給する自然エネルギー系統の給電線と、前記整流装置により変換された電力を、負荷機器に供給する商用電源系統の給電線と、前記自然エネルギー系統の給電線と前記商用電源系統の給電線との間に、前記自然エネルギー系統の給電線から前記商用電力系統の給電線に向けてのみ電流が流れるように接続されたダイオードとを備え、前記自然エネルギー電源による発電電力の出力電圧を、前記整流装置の出力電圧よりも高く設定したことを特徴とする。

また、本発明の直流給電システムの前記自然エネルギー電源による発電電力が給電される前記負荷は、信頼性が求められない負荷機器であり、前記商用電源の電力が給電される前記負荷は、信頼性が求められる負荷機器であることを特徴とする。

また、本発明の直流給電システムは、前記自然エネルギー電源による発電電力を、前記整流装置の出力電圧よりも、ダイオードの電圧降下と、自然エネルギーによる最大発電量時に前記自然エネルギーによる発電部から前記自然エネルギー系統の給電線とダイオードが接続されている給電線の接続点までに流れる電流による電圧降下との合計の分だけ高く設定したことを特徴とする。

また、本発明の直流給電システムは、蓄電池と、充放電装置と、前記充放電装置を介して前記蓄電池の電力を、負荷機器に供給する蓄電池系統の給電線と、前記商用電力系統の給電線と前記蓄電池系統の給電線との間に、前記自然エネルギー系統の給電線及び前記商用電力系統の給電線から前記蓄電池系統の給電線に向けてのみ電流が流れるように接続されたダイオードとをさらに備え、前記蓄電池による出力電圧を、前記整流装置の出力電圧よりも低く設定したことを特徴とし、さらに、前記自然エネルギー電源による発電電力が給電される前記負荷機器は、前記自然エネルギー電源の発電時に動作すれば足りる負荷機器であり、前記商用電源の電力が給電される前記負荷機器は、前記商用電源の停電時に停止させることが可能な負荷機器であり、前記蓄電池の電力が給電される前記負荷は、前記商用電源の停電時にも動作することが必要な負荷機器であることを特徴とする。

本発明によれば、自然エネルギーによる発電電力が多い場合には商用電源系統の負荷にも自然エネルギーによる発電電力を供給し、商用電源からの給電を極力抑制する一方、自然エネルギーによる発電電力が少ない場合には、信頼性が求められない負荷に対する電力供給を停止すると共に、重要負荷には整流装置から商用電源を供給することで運転を継続することが可能となる。このように、自然エネルギーによる発電電力を可能な限り利用しつつ、重要負荷への安定的な電力供給を可能とする給電システムを、複雑な制御装置を用いることなく低コストで作製することが可能となる。

従来の直流給電システムの一例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る品質別直流給電システムを示すブロック図である。 本発明の他の実施形態に係る品質別直流宮殿システムを示すブロック図である。

図２は、本発明の第一の実施形態に係る品質別直流給電システムを示すブロック図である。本実施形態の直流給電システムは、自然エネルギー電源１１１と、商用電源２１１と、整流装置２１２と、第一の電流分配装置１２０と、第二の電流分配装置２２０と、負荷機器１３１、１３２、２３１、２３２と、ダイオード１５１から構成され、２系統の給電システムから構成される。

第一の系統の給電システムは、自然エネルギー系統の給電システムである。自然エネルギー系統の給電システムは、自然エネルギー電源１１１、第一の電流分配装置１２０及び負荷機器１３１、１３２により構成される。自然エネルギー電源１１１は、ケーブル等の給電線により第一の電流分配装置１２０に接続される。第一の電流分配装置１２０には、１又は２以上の信頼性が求められない負荷機器（停止しても良い負荷機器）１３１、１３２が接続されている。図においては、電流分配装置１２０は２分岐で記載されているが、本発明において負荷機器の数は２に限定されることはなく、負荷機器は１つでも複数でもよい。また、第一の電流分配装置１２０には、負荷機器において短絡が発生した場合に、給電を遮断するための遮断器１２１、１２２を設けることができる。

第二の系統の給電システムは、商用電力系統の給電システムである。商用電力系統の給電システムは、商用電源２１１、整流装置２１２、第二の電流分配装置２２０及び負荷機器２３１、２３２により構成される。商用電源２１１は整流装置２１２により直流電流に変換され、整流装置２１２はケーブル等の給電線により第二の電流分配装置２２０に接続される。第二の電流分配装置２２０には、１又は２以上の信頼性が求められる負荷機器（常に動作が必要な負荷機器：重要負荷）２３１、２３２が接続されている。図２においては、電流分配装置は２分岐で記載されているが、本発明において負荷機器の数は２に限定されることはなく、負荷機器は１つでも複数でもよい。また、第二の電流分配装置２２０にも、第一の電流分配装置１２０と同じく遮断器２２１、２２２を設けることができる。

また、自然エネルギー電源１１１と第一の電流分配装置１２０を結ぶ給電線（自然エネルギー系統の給電線）と、整流装置２１２と第二の電流分配装置２２０との間の給電線（商用電力系統の給電線）の間に、ダイオード１５１を、自然エネルギー系統から商用電力系統に向けてのみ電流が流れる方向に設ける。ダイオード１５１を設けることにより、商用電源２１１の電流は、第一の電流分配装置１２０に接続された１又は２以上の信頼性が求められない負荷機器（停止しても良い負荷機器）（図２においては１３１、１３２）に流れなくなる。商用電源２１１からの給電を重要な負荷（図２においては２３１、２３２）に限定することにより、システムに接続された負荷機器すべてへの給電を賄うことができる整流機器を用意する必要がなく、整流機器のコストを抑えることができる。

さらに、自然エネルギー電源１１１については、自然エネルギーによる発電の出力電圧を、整流装置の出力電圧よりも、（ダイオードの電圧降下）＋（自然エネルギーによる最大発電量時に、自然エネルギーによる発電部、あるいは自然エネルギーによる発電部に接続されたコンバータなどの出力変換装置の出力部から、自然エネルギー側の給電線とダイオードが接続されているケーブルの接続点までに流れる電流による電圧降下）の分だけ高くしておく。

このようにしておくことにより、自然エネルギーによる発電電力が上部の負荷による消費電力に対して余剰となった場合には、商用電力側の給電線にこの余剰電力が供給される。また、自然エネルギーによる発電電力が減少した際にはシステム全体としては電力不足になるが、商用電力系統の負荷機器（図２においては２３１、２３２）に対しては整流装置２１２から電力が供給されるため、商用電力系統の負荷機器は、自然エネルギーによる発電量に関わらず運転を継続することができ、自然エネルギー系統の負荷機器（図２においては１３１、１３２）のみが停止する。

なお、商用電力２１１＋整流装置１２１に代えて、燃料電池（図示せず）を電源とすることもできる。また、第一の電流分配装置１２０に設置した遮断器もしくは第一の電流分配装置１２０に接続した負荷２３１、２３２には自然エネルギー発生量をもとに装置を停止する機能を設けることもできる。

自然エネルギー系統の給電線と商用電源系統の給電線との間を、自然エネルギー系統から商用電力系統に向けてのみ電流が流れるようにダイオードで接続し、自然エネルギーによる発電が十分になされている際の出力電圧を商用電源系統の整流装置の出力電圧より高く設定することで、自然エネルギーによる発電で余剰電力が発生した場合のみに自然エネルギー系統から商用電力系統にむけて電力が供給されるシステムを構築した。このシステムに対して、自然エネルギー系統に信頼性が求められない負荷を接続しておき、整流装置側には信頼性が求められる負荷（重要負荷）を接続しておくことで、自然エネルギーによる発電電力が多い場合には商用電源系統の負荷にも自然エネルギーによる発電電力を供給し、商用電源からの給電を極力抑制する一方、自然エネルギーによる発電電力が少ない場合には、信頼性が求められない負荷に対する電力供給を停止すると共に、重要負荷には整流装置から商用電源を供給することで運転を継続することを可能とした。このようなシステムにおいては、整流装置は重要負荷のみに電力を供給しうる給電容量があれば良く、全ての負荷に電力を供給する給電容量を搭載する必要がないために、整流装置のコストを低減することが可能である。このように、自然エネルギーによる発電電力を可能な限り利用しつつ、重要負荷への安定的な電力供給を可能とする給電システムを、複雑な制御装置を用いることなく低コストで作製することが可能となる。

図３は、本発明の第二の実施形態に係る品質別直流給電システムを示すブロック図である。本実施形態の直流給電システムは、図２に記載の本発明の第一の実施形態に対して、さらにカスケード方式にして、第三の系統の給電システムを設ける。第三の系統の給電システムは蓄電池と充電装置で構成される、蓄電池系統の給電システムにする。具体的には、蓄電池３１１を、充放電装置３１２を介して第三の電流分配装置３２０に接続し、第三の電流分配装置３２０には、商用電源２１１の停電時にも動作が必要な負荷機器を接続する。また、整流装置２１２と第二の電流分配装置２２０を結ぶ給電線と、充放電装置３１２と第３の電流分配装置３２０を結ぶ給電線（蓄電池系統の給電線）との間に、ダイオード２５１を、自然エネルギー系統及び商用電力系統の給電線から蓄電池系統の給電線に向けてのみ電流が流れる方向に設ける。本実施形態により、自然エネルギーによる発電量の低下により給電システム全体の電力供給量が不足になった場合において、商用電源２１１が停電を起こした場合であっても、蓄電池３１１からの給電により、システム全体がダウンすることを防止することができる。

図３において、第一の系統の給電システムは自然エネルギーによる発電がなされている時だけ動作すれば良い負荷機器（停止しても良い負荷）１３１、１３２、例えば第一の系統の給電システムは代わりに動作する負荷がある（クラウドシステムではバックアップがある）場合に、停止しても良い負荷機器を接続する。第二の系統の給電システムは基本的には動作するが、停電時には停止しても良い負荷機器２３１、２３２が接続される。最も高い電力の信頼性を求められている負荷機器３３１、３３２は、第三の系統の給電システムに接続する。なお、図３においては、例として各系統の負荷機器は２つ記載されているが、本発明において各系統の負荷機器は２つに限定されない。

蓄電池３１１の出力電圧は、商用電源２１１の出力電圧より更に低い電圧に設定されており、通常は自然エネルギー電源１１１や整流装置２１２からの電力を負荷機器３３１、３３２に供給すると共に、蓄電池３１１の充電を行う。自然エネルギー電源１１１からの電力も商用電源２１１からの電力も供給が停止された場合、あるいはこれからか供給される電力が不足した場合には、蓄電池３１１が放電を行い、蓄電池系統の給電システムにおける負荷機器にのみ電力を供給する。

また、第三の系統の給電システムに、蓄電池の代わりに燃料電池をおくことにより、停電時のバックアップを構築するシステムにすることも可能である。

１１、１１１ 自然エネルギー電源
２１、２１１ 商用電源
２２、２１２ 整流装置
３１１ 蓄電池
３１２ 充放電装置
１２０、２２０、３２０ 電流分配装置
１２１、１２２、２２１、２２２、３２１、３２２ 遮断器
３１〜３４、１３１、１３２、２３１、２３２、３３１、３３２ 負荷機器
１５１、２５１ ダイオード

Claims (5)

1. 自然エネルギーによる発電電力を出力する自然エネルギー電源と、
   商用電源と、
   前記商用電源からの電力を直流に変換する整流装置と、
   前記自然エネルギー電源の電力を、負荷機器に供給する自然エネルギー系統の給電線と、
   前記整流装置により変換された電力を、負荷機器に供給する商用電源系統の給電線と、
   前記自然エネルギー系統の給電線と前記商用電源系統の給電線との間に、前記自然エネルギー系統の給電線から前記商用電力系統の給電線に向けてのみ電流が流れるように接続されたダイオードとを備え、
   前記自然エネルギー電源による発電電力の出力電圧を、前記整流装置の出力電圧よりも高く設定したことを特徴とする直流給電システム。
2. 前記自然エネルギー電源による発電電力が給電される前記負荷は、信頼性が求められない負荷機器であり、
   前記商用電源の電力が給電される前記負荷は、信頼性が求められる負荷機器であることを特徴とする、請求項１に記載の直流給電システム。
3. 前記自然エネルギー電源による発電電力を、前記整流装置の出力電圧よりも、ダイオードの電圧降下と、自然エネルギーによる最大発電量時に前記自然エネルギーによる発電部から前記自然エネルギー系統の給電線とダイオードが接続されている給電線の接続点までに流れる電流による電圧降下との合計の分だけ高く設定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の直流給電システム。
4. 蓄電池と、
   充放電装置と、
   前記充放電装置を介して前記蓄電池の電力を、負荷機器に供給する蓄電池系統の給電線と、
   前記商用電力系統の給電線と前記蓄電池系統の給電線との間に、前記自然エネルギー系統の給電線及び前記商用電力系統の給電線から前記蓄電池系統の給電線に向けてのみ電流が流れるように接続されたダイオードとをさらに備え、
   前記蓄電池による出力電圧を、前記整流装置の出力電圧よりも低く設定したことを特徴とする、請求項１に記載の直流給電システム。
5. 前記自然エネルギー電源による発電電力が給電される前記負荷機器は、前記自然エネルギー電源の発電時に動作すれば足りる負荷機器であり、
   前記商用電源の電力が給電される前記負荷機器は、前記商用電源の停電時に停止させることが可能な負荷機器であり、
   前記蓄電池の電力が給電される前記負荷は、前記商用電源の停電時にも動作することが必要な負荷機器であることを特徴とする、請求項４に記載の直流給電システム。

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