JP2014057393A - 電力制御装置 - Google Patents

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Yukio Kadota
行生 門田
Masayuki Nogi
雅之 野木
Toshiaki Edahiro
俊昭 枝広
Yoshiro Hasegawa
義朗 長谷川
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Abstract


【課題】交流系統への電力の逆潮流を確実に制御しつつ、効率良く電力を制御できる電力制御装置を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、電力制御装置は、第1のインバータと、第2のインバータと、スイッチとを有する。第1のインバータは、交流系統への電力の逆潮流が可能な第1の発電装置が出力する直流電力を交流電力に変換する。第2のインバータは、交流系統への電力の逆潮流が不可な第2の発電装置が入出力する直流電力を交流電力に変換する。スイッチは、前記第1のインバータの直流側と前記第2のインバータの直流側との接続状態を切り替える。
【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、電力制御装置に関する。
従来、交流系統と太陽光発電機と蓄電装置とを含む電力制御システムでは、太陽光発電装置と蓄電装置とが交流側で連系して交流系統と接続する構成を有する。また、運用形態として、太陽光発電装置などの分散型電源からの電力を電力会社が買取る電力買取制度があることもある。しかしながら、電力買取制度では、太陽光発電装置などの予め定めた分散型電源からの電力の買取は認めているものの、それ以外の蓄電装置などの自家発電設備からの電力の買取は認めていないことがある。このような運用においては、電力制御システムは、交流系統への電力の逆潮流が可能な太陽光発電装置と逆潮流が不可な自家発電設備とを分離し、自家発電設備で発電した電力は交流系統に逆潮流させない構成が必要となる。
特開2002−369406号公報
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、電力の逆潮流を確実に制御しつつ、効率良く電力を制御できる電力制御装置を提供することを目的とする。
実施形態によれば、電力制御装置は、第1のインバータと、第2のインバータと、スイッチとを有する。第1のインバータは、交流系統への電力の逆潮流が可能な第1の発電装置が出力する直流電力を交流電力に変換する。第2のインバータは、交流系統への電力の逆潮流が不可な第2の発電装置が入出力する直流電力を交流電力に変換する。スイッチは、前記第1のインバータの直流側と前記第2のインバータの直流側との接続状態を切り替える。
図1は、本実施形態に係る電力制御システムの第1の構成例を示す図である。 図2は、本実施形態に係る電力制御システムの第2の構成例を示す図である。 図3は、本実施形態に係る電力制御システムの第3の構成例を示す図である。 図4は、本実施形態に係る電力制御システムの第4の構成例を示す図である。 図5は、本実施形態に係る電力制御システムの第5の構成例を示す図である。
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
まず、実施形態に係る電力制御装置としての電力制御システムの第1の構成例について説明する。
図1は、実施形態に係る電力制御装置としての電力制御システムの第1の構成例を示す図である。
図1に示す構成例において、電力制御システムは、交流系統11、連系スイッチ12、太陽光発電装置13、第1のインバータ14、蓄電装置15、第2のインバータ16、交流負荷17、第1の電流検出手段18、第1の電圧検出手段19、第2の電流検出手段20、第2の電圧検出手段21、スイッチ手段22、制御回路23、および、報知手段24を有する。
交流系統11は、外部から供給される交流の電源系統である。連系スイッチ12は、交流系統11と本電力制御システムとの接続状態を切り替えるスイッチである。太陽光発電装置13は、太陽光などのエネルギーを電力に変換して発電する装置である。太陽光発電装置13は、直流電力を発電し、発電した直流電力を出力する。第1のインバータ14は、太陽光発電装置13が発電した直流電力を交流電力に変換するインバータである。蓄電装置15は、電力を蓄積する装置である。蓄電装置15は、入力する直流電力により電力を充電し、直流電力を放電する。第2のインバータ16は、蓄電装置が充放電する直流電力を交流電力に変換するインバータである。交流負荷17は、交流系統11、第1のインバータ14、および、第2のインバータ16から供給される交流電力を消費する負荷である。
第1の電流検出手段18は、交流系統11の入出力ラインとしての交流線における電流値を検出する電流検出手段である。第1の電圧検出手段19は、第1のインバータ14の交流側における電圧値を検出する電圧検出手段である。第2の電流検出手段20は、第1のインバータ14の交流側と第2のインバータ16の交流側とを接続する交流線における電流値を検出する電流検出手段である。第2の電圧検出手段21は、交流系統11の電圧値を検出する電圧検出手段である。
スイッチ手段22は、太陽光発電装置13の入出力ラインと蓄電装置15の入出力ラインとの接続状態を切り替えるスイッチである。すなわち、スイッチ手段22は、太陽光発電装置13が出力する直流電力の出力ラインと蓄電装置15の入出力ラインとの接続状態を切り替える。
制御回路23は、第1のインバータ14、第2のインバータ16、連系スイッチ12、スイッチ手段22を制御する。制御回路23は、第1の電流検出手段18、第1の電圧検出手段19、第2の電流検出手段20、および、第2の電圧検出手段21が検出する電圧値および電流値を示す情報を取得する。制御回路23は、各検出手段18〜21が検出する電圧値及び電流値に基づいて各部を制御する。
報知手段24は、スイッチ手段22が解列した状態であることを報知するためのものである。報知手段24は、スイッチ手段22が解列した状態であることを確実に報知する(証明する)ものであれば良い。報知手段24は、図1に示すように直接的に接続してスイッチ手段22の状態を検知して検知結果を報知するものであっても良いし、制御回路23に接続してスイッチ手段22が解列した状態を検知して報知するものであっても良い。また、報知手段24は、太陽光発電装置13から逆潮流した電力量を計測するスマートメータなどに設けても良いし、通信回線等により外部にスイッチ手段22の状態を報知するものであっても良い。
たとえば、報知手段24は、スイッチ手段22が解列(オフ)状態である場合、太陽光発電装置13の直流側と蓄電装置15の直流側とが分離された状態であることを報知する。言い換えると、報知手段24は、スイッチ手段22が解列状態であることを報知している場合、蓄電装置15から放電する直流電力が太陽光発電装置13が発電する直流電力と混ざって交流系統11へ逆潮流されることが無い状態であることを報知する。
また、報知手段24は、スイッチ手段22が投入(オン)状態である場合、太陽光発電装置13の直流側と蓄電装置15の直流側とを接続した状態であることを報知するようにしても良い。つまり、報知手段24は、スイッチ手段22が投入状態であることを報知している場合には、蓄電装置15が太陽光発電装置13からの直流電力による充電される状態であることを報知するようにしても良い。
図1に示す第1の構成例の電力制御システムにおける作用について説明する。
図1において、太陽光発電装置13は、交流系統11に発電電力を逆潮流できる発電装置である。太陽光発電装置13は、太陽などの光を電気エネルギーに変換し、直流電力を発電する。太陽光発電装置13が発電した電力で家電等の交流負荷を駆動するためには、太陽光発電装置13が発電する直流電力を交流電力に変換する必要がある。電力制御システムでは、第1のインバータ14で太陽光発電装置13の発電した直流電力を交流電力へと変換する。第1のインバータ14の交流側は、連系スイッチ12を介して交流系統11と接続する。連系スイッチ12は、制御回路23からの信号により投入(オン)および解列(オフ)が切り替えられる。
蓄電装置15は、交流系統11への逆潮流が不可な発電装置である。蓄電装置15は、直流電圧を充放電する。蓄電装置15が放電する直流電力で家電等の交流負荷17を駆動するには、蓄電装置15が放電する直流電力を交流電力に変換する必要がある。電力制御システムでは、蓄電装置15の直流出力を第2のインバータ16と接続し、蓄電装置15が充放電する直流電力を第2のインバータ16で交流電力へと変換する。
第2のインバータ16の交流側は、交流線を通じて第1のインバータ14の交流側と接続する。交流負荷17は、第2のインバータ16の交流側、かつ、第1のインバータ14の交流側と第2のインバータ16の交流側を接続する交流線の第2のインバータ16側に接続される。すなわち、電力制御システムは、交流系統11、第1のインバータ14および第2のインバータ16から出力される交流電力が交流負荷17に与えられるように構成されている。
第1の電流検出手段18は、第1のインバータ14の交流側と交流系統11との間を流れる電流を計測する。第1の電圧検出手段19は、第1のインバータ14の交流側の電圧を検出する。制御回路23は、第1の電流検出手段18が検出する電流情報と第1の電圧検出手段19が検出する電圧情報とから、交流系統11に流れる有効電力、無効電力といった情報を求める。有効電力、無効電力の算出方法は、一般的な算出方法が適用可能である。第2の電流検出手段20は、第1のインバータ14の交流側と第2のインバータ16の交流側を接続する交流線を流れる電流を計測する。第2の電圧検出手段21は、交流系統11と連系スイッチ12との間の電圧を計測する。各検出手段18〜21による電圧検出および電流検出の信号は、制御回路23に入力する。
スイッチ手段22は、第1のインバータ14の直流側と第2のインバータ16の直流側との接続状態を切り替えるものである。スイッチ手段22は、制御回路23からの制御信号に基づいて投入(オン)および解列(オフ)の状態を切り替えられる。
本電力制御システムにおいて、太陽光発電装置13の発電電力を蓄電装置15に充電する場合、スイッチ手段22は投入される。スイッチ手段22が投入状態となると、太陽光発電装置13が発電した直流電力は、インバータ等を経由することなく、スイッチ手段22を介して蓄電装置15に直接的に直流電力として供給される。
さらに、スイッチ手段22が投入状態であれば、蓄電装置15は、交流系統11からの電力を、第2のインバータ16からだけでなく、第1のインバータ14からも供給されるようにすることもできる。つまり、スイッチ手段22が投入状態である場合、蓄電装置15は、太陽光発電装置13が発電した直流電力、および、第2のインバータ16が交流系統11からの交流電力を直流に変換した電力だけでなく、第1のインバータ14が交流系統11からの交流電力を直流に変換した電力を受けとるようにすることも可能である。
また、スイッチ手段22を解列するのは、太陽光発電装置13が発電した電力を交流系統11に逆潮流させ、かつ蓄電装置15が放電するときである。すなわち、制御回路23は、太陽光発電装置13が発電した電力を交流系統11に逆潮流させ、かつ、蓄電装置15からの交流系統11への逆潮流を遮断する場合に、スイッチ手段22を解列する。
たとえば、制御回路23は、第1の電流検出手段18の信号と第1の電圧検出手段19の信号とから交流系統11に流れ込む電力を演算し、交流系統11へ逆潮流が生じていることを検知する。制御回路23は、交流系統11への逆潮流を検知し、かつ、蓄電装置15が放電している場合、スイッチ手段22を解列する。スイッチ手段22が解列することにより、太陽光発電装置13の直流出力と蓄電装置15の直流出力とは、物理的に切り離される。さらに、スイッチ手段22が解列すると、報知手段24は、太陽光発電装置13の直流出力と蓄電装置15の直流出力とを物理的に切り離していることを報知する。
また、スイッチ手段22が解列すると、太陽光発電装置13の発電電力は、第1のインバータ14の交流側に交流電力として出力される。蓄電装置15の放電電力は、第2のインバータ16の交流側に交流電力として出力される。このとき、制御回路23は、第2の電流検出手段20が検出する電流と第1の電圧検出手段19が検出する電圧から有効電力を求め、その有効電力を基準に蓄電装置15が第1のインバータ14の交流側に電力を放電しないように第2のインバータ16で蓄電装置15の放電を制御するようにしても良い。このような制御によって、交流系統11に逆潮流する電力は、太陽光発電装置13の発電電力のみとすることができる。
また、制御回路23は、蓄電装置15の放電制御として、交流負荷17の消費電力を検出して交流負荷17での消費電力以下となるように第2のインバータ16による蓄電装置15の放電電力を制御するようにしても良い。このような制御によっても、蓄電装置15が放電する電力を第1のインバータ14の交流側に流出しないように制御することができる。
上述したように、図1に示す電力制御システムは、太陽光発電装置が発電した電力を交流系統に逆潮流していない場合はスイッチ手段を投入することにより太陽光発電装置の発電した電力を直接的に蓄電装置へ供給し、太陽光発電装置が発電した電力を交流系統に逆潮流している場合はスイッチ手段を解列することにより太陽光発電装置の発電電力と蓄電装置の放電電力を物理的に切り離す。
これにより、太陽光発電装置が発電した電力が交流系統に逆潮流しているときには、太陽光発電装置の発電電力と蓄電装置の放電電力とを交流側で物理的に切り離して、太陽光発電装置の発電電力を交流系統に逆潮流させて、蓄電装置の放電電力は交流負荷の消費電力以下に留めて交流系統には放電しないことが達成できる。また、太陽光発電装置が逆潮流していないときには、インバータを介さずに太陽光発電装置で発電した電力を直流電力のまま蓄電装置に充電することができ、電力損失の少ない高効率なシステムを構築することができる。
次に、電力制御システムの第2の構成例について説明する。
図2は、実施形態に係る電力制御装置としての電力制御システムの第2の構成例を示す図である。
図2に示すように、第2の構成例の電力制御システムは、交流系統11、連系スイッチ12、太陽光発電装置13、第1のインバータ14、蓄電装置15、第2のインバータ16、交流負荷17、第1の電流検出手段18、第1の電圧検出手段19、第2の電流検出手段20、第2の電圧検出手段21、スイッチ手段22、制御回路23、報知手段24、および、停電検知手段25を有する。第2の構成例の電力制御システムは、第1の構成例の電力制御システムに停電検知手段25を追加した構成を有する。たとえば、図2に示す第2の構成例は、図1に示す第1の構成例とハードウエア的な構成は同様なものであり、制御回路23が停電検知手段25としての機能を有する構成であるものとする。
制御回路23の停電検知手段25は、第1の電圧検出手段19または第2の電圧検出手段21の検知結果に基づいて、交流系統11が停電したことを検知する。また、停電検知手段25は、第2の電圧検出手段21が検出する電圧信号が正常値にもどったことで検知することにより、交流系統11の停電からの復帰を検出する。
停電検知手段25により交流系統11が停電したことを検知すると、制御回路23は、連系スイッチ12を解列し、電力制御システムと交流系統11とを切り離す。このとき、制御回路23は、スイッチ手段22を投入し、第1のインバータ14の直流側と第2のインバータ16の直流側とを接続状態とする。
上記のような第2の構成例の電力制御システムによれば、交流系統11の停電において、太陽光発電装置の発電電力と蓄電装置の充放電電力とを直流電圧で一本化して、第1のインバータと第2のインバータとは直流電力を交流電力に変換する同じ目的をもった変換器として扱うことができ、効率の良い電力制御を実現できる。たとえば、容量の大きなインバータは交流電圧を維持する交流電圧制御で運転し、容量の小さなインバータは交流電圧に対して交流電流を出力する電流制御で運転するようにできる。これにより、2台のインバータを協調して交流負荷に電力を供給することができる。
また、上記のような第2の構成例の電力制御システムによれば、交流系統11の停電において、インバータを介さずに太陽光発電装置で発電した電力を直流電力のまま直接的に蓄電装置に充電することができ、電力損失の少ない高効率なシステムを構築することができる。
次に、電力制御システムの第3の構成例について説明する。
図3は、実施形態に係る電力制御装置としての電力制御システムの第3の構成例を示す図である。
図3に示すように、第3の構成例の電力制御システムは、交流系統11、連系スイッチ12、太陽光発電装置13、第1のインバータ14、蓄電装置15、第2のインバータ16、交流負荷17、第1の電流検出手段18、第1の電圧検出手段19、第2の電流検出手段20、第2の電圧検出手段21、スイッチ手段22、制御回路23、報知手段24、および、太陽光発電装置用のDC/DCコンバータ26を有する。図3に示す第3の構成例の電力制御システムは、図1に示す第1の構成例の電力制御システムに太陽光発電装置用のDC/DCコンバータ26を追加した構成を有する。
太陽光発電装置用のDC/DCコンバータ26は、太陽光発電装置13が出力側に接続される。図3に示す第3の構成例において、太陽光発電装置用のDC/DCコンバータ26は、太陽光発電装置13とスイッチ手段22との間に接続される。太陽光発電装置用のDC/DCコンバータ26は、太陽光発電装置13が発電する直流電圧を、第1のインバータ14に適した直流電圧、または、スイッチ手段22を介して接続する蓄電装置15の出力端子に適した直流電圧に変換する。また、太陽光発電装置用のDC/DCコンバータ26は、太陽光発電装置13が発電する直流電圧を、スイッチ手段22を介して接続される第2のインバータ16に適した直流電圧に変換するようにしても良い。すなわち、太陽光発電装置用のDC/DCコンバータ26は、太陽光発電装置13が発電する直流電圧を、第1のインバータ14もしくは第2のインバータ16または蓄電装置15の仕様に応じた電圧に変換して電力を出力するものである。
上記のような第3の構成例の電力制御システムでは、太陽光発電装置用のDC/DCコンバータにより太陽光発電装置が発電する直流電力を適正な電圧に変換して出力する。このため、太陽光発電装置は最大電力点にて運転することができ、太陽光発電装置を用いた発電を効率良く行うことができる。
次に、電力制御システムの第4の構成例について説明する。
図4は、実施形態に係る電力制御装置としての電力制御システムの第4の構成例を示す図である。
図4に示すように、第4の構成例の電力制御システムは、交流系統11、連系スイッチ12、太陽光発電装置13、第1のインバータ14、蓄電装置15、第2のインバータ16、交流負荷17、第1の電流検出手段18、第1の電圧検出手段19、第2の電流検出手段20、第2の電圧検出手段21、スイッチ手段22、制御回路23、報知手段24、および、蓄電装置用のDC/DCコンバータ27を有する。図4に示す第4の構成例の電力制御システムは、図1に示す第1の構成例の電力制御システムに蓄電装置用のDC/DCコンバータ27を追加した構成を有する。
蓄電装置用のDC/DCコンバータ27は、蓄電装置15が出力側に接続される。図4に示す第4の構成例において、蓄電装置用のDC/DCコンバータ27は、蓄電装置15とスイッチ手段22との間に接続される。蓄電装置用のDC/DCコンバータ27は、蓄電装置15の充電もしくは蓄電装置15からの放電といった動作を制御する。たとえば、蓄電装置用のDC/DCコンバータ27は、蓄電装置15の充電時には、第2のインバータあるいはスイッチ手段22を介して供給される直流電圧を蓄電装置15の充電に適した電圧に変換する。また、蓄電装置用のDC/DCコンバータ27は、蓄電装置15からの放電時には、蓄電装置15から放電される電圧を第2のインバータに適した電圧に変換する。
上記のような第4の構成例の電力制御システムでは、蓄電装置用のDC/DCコンバータ27によって電力制御の簡素化と蓄電装置のきめ細かい充放電制御が可能となる。
次に、電力制御システムの第5の構成例について説明する。
図5は、実施形態に係る電力制御装置としての電力制御システムの第5の構成例を示す図である。
図5に示すように、第5の構成例の電力制御システムは、交流系統11、連系スイッチ12、太陽光発電装置13、第1のインバータ14、蓄電装置15、第2のインバータ16、交流負荷17、第1の電流検出手段18、第1の電圧検出手段19、第2の電流検出手段20、第2の電圧検出手段21、スイッチ手段22、制御回路23、報知手段24、第1のDC/DCコンバータ26、および、第2のDC/DCコンバータ27を有する。図5に示す第5の構成例の電力制御システムは、図1に示す第1の構成例の電力制御システムに第1のDC/DCコンバータ26と第2のDC/DCコンバータ27とを追加した構成を有する。
第1のDC/DCコンバータ26は、図3に示す第3の構成例で説明した太陽光発電装置用のDC/DCコンバータ26と同様な機能を有するものである。つまり、第1のDC/DCコンバータ26は、太陽光発電装置13とスイッチ手段22との間に接続され、太陽光発電装置13が発電する直流電圧を、第1のインバータ14に適した直流電圧、または、スイッチ手段22を介して接続する蓄電装置15の出力端子に適した直流電圧に変換して出力するものである。
また、第2のDC/DCコンバータ27は、図4に示す第4の構成例で説明した蓄電装置用のDC/DCコンバータ27と同様な機能を有するものである。つまり、第2のDC/DCコンバータ27は、蓄電装置15とスイッチ手段22との間に接続され、蓄電装置15の充放電電力を制御する。
第5の構成例の電力制御システムでは、第1のインバータ14の直流電圧と第2のインバータ16の直流電圧を自由に設定できる。たとえば、第1のインバータ14および第2のインバータ16のもっとも効率の良い動作が達成できる一定電圧に制御しても良い。第1のインバータ14の直流電圧と第2のインバータ16の直流電圧とを同一にすると、電力制御システムとしては、スイッチ手段22の投入の際に電位差から生じる突入電圧を回避して直流電圧を接続することができる。これにより、第5の構成例の電力制御システムにおいては、インバータが効率良く運転することができ、またスイッチ手段への突入電流を軽減することができる。
なお、第3、第4および第5の構成例の電力制御システムについても、第2の構成例で説明したような交流系統11の停電を検知する停電検知手段25を追加して、第2の構成例で説明したような停電時の制御を行うようにしても良い。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
11…交流系統、12…連系スイッチ、13…太陽光発電装置、14…第1のインバータ、15…蓄電装置、16…第2のインバータ、17…交流負荷、18…第1の電流検出手段、19…第1の電圧検出手段、20…第2の電流検出手段、21…第2の電圧検出手段、22…スイッチ手段、23…制御回路、24…報知手段、25…停電検知手段、26…太陽光発電用のDC/DCコンバータ(第1のDC/DCコンバータ)、27…蓄電装置用のDC/DCコンバータ(第2のDC/DCコンバータ)。

Claims (8)

  1. 交流系統への電力の逆潮流が可能な第1の発電装置が出力する直流電力を交流電力に変換する第1のインバータと、
    交流系統への電力の逆潮流が不可な第2の発電装置が入出力する直流電力を交流電力に変換する第2のインバータと、
    前記第1のインバータの直流側と前記第2のインバータの直流側との接続状態を切り替えるスイッチと、
    を有する電力制御装置。
  2. さらに、前記第1の発電装置が発電する電力を前記第2の発電装置へ電力を供給する場合、前記スイッチを投入し、前記第1の発電装置が発電する電力を前記交流系統へ逆潮流させ、かつ、前記第2の発電装置が放電している場合には、前記スイッチを解列する制御回路を有する、
    前記請求項1に記載の電力制御装置。
  3. さらに、前記スイッチが解列していることを報知する報知手段を有する、
    前記請求項1又は2の何れか1項に記載の電力制御装置。
  4. 前記第1の発電装置は、太陽光発電装置である、
    前記請求項1乃至3の何れかに記載の電力制御装置。
  5. 前記第2の発電装置は、蓄電装置である、
    前記請求項1乃至4の何れか1項に記載の電力制御装置。
  6. さらに、前記交流系統が停電したことを検知する停電検知手段と、
    前記第1及び第2のインバータと交流系統を接続する連系スイッチと、を有し、
    前記制御回路は、前記停電検知手段が交流系統の停電を検出した場合には、前記連系スイッチを解列し、かつ、前記スイッチを投入する、
    前記請求項1乃至5の何れか1項に記載の電力制御装置。
  7. さらに、前記第1の発電装置の出力電圧を調整する第1のDC/DCコンバータを有する、
    前記請求項1乃至6の何れか1項に記載の電力制御装置。
  8. さらに、前記第2の発電装置の入出力電圧を調整する第2のDC/DCコンバータを有する、
    前記請求項1乃至7の何れか1項に記載の電力制御装置。
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