JP2014082837A - 給電システムおよび給電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電のエネルギー効率を高めるとともに、負荷に効率的に電力を供給する。
【解決手段】給電システム１４０は、電力線１２０を介して商用発電装置とともに複数の負荷１３０に接続された発電装置１４２と、複数の負荷それぞれの消費電力を監視する監視部１４４と、商用発電装置から負荷への電力供給が絶たれた場合に、電力供給が絶たれる前の複数の負荷それぞれの消費電力に基づいて、複数の負荷から、発電装置が供給可能な電力内に消費電力が収まるように１または複数の負荷を選択する負荷選択部１４６と、発電装置と、選択された１または複数の負荷とを接続する接続変更部１４８と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、商用電力装置から複数の負荷に電力を供給する配電システムにおいて、停電時に一部の負荷に電力を供給する給電システムおよび給電方法に関する。

近年、電力の安定的な供給に対する関心が高まっている。それに伴って、災害等による停電時においても駆動停止できない負荷に対し、商用発電装置と独立して発電可能な自家発電装置や、自家発電装置と、発電によって生じる廃熱を回収する熱回収装置とを組み合わせ、エネルギー効率を高めたコジェネレーション装置が脚光を浴びている。

また、自家発電装置やコジェネレーション装置で生成された電力を効率よく負荷に供給すべく、当該自家発電装置やコジェネレーション装置を、配電システムに、給電システムとして組み込むことも試みられている。例えば、電力負荷および熱負荷の予測に基づいて運転し、効率が高い状態でコジェネレーション装置を運用する技術（例えば、特許文献１）や、コジェネレーション装置の実質管理を行う実質管理手段を備える技術（例えば、特許文献２）が知られている。また、発電した電力が使用電力負荷に対して不足する場合に、発電側の電力供給量を調整する技術（例えば、特許文献３）も開示されている。

このような自家発電装置やコジェネレーション装置は、商用発電装置と比較して給電能力が低いため、商用発電装置から負荷への電力供給が絶たれたとき（停電時）、商用発電装置の電力供給範囲にある負荷全てには電力を供給することができない。そこで、自家発電装置やコジェネレーション装置を給電システムとして組み込む場合、電力の供給対象となる負荷を予め設定しておき、設定された負荷以外の負荷を遮断して、設定された負荷のみに電力を供給することで、電力供給の安定化を図っていた。

特開２００３−８７９７０号公報 特開２００７−２０６９１０号公報 特開２００３−５２１２７号公報

上述したように、従来、配電システムに給電システムを組み込む場合、電力の供給対象となる負荷を制限することで電力の供給不足に対応していた。この場合、負荷が最大消費電力で動作していることを想定し、電力が供給不足に陥らないように、電力の供給対象となる負荷が決定されていた。

しかし、停電時に、電力の供給対象として決定された全ての負荷が最大消費電力で動作していることは少なく、実際の消費電力は想定した消費電力の、例えば、３〜４割といったように小さくなることが多い。したがって、給電システムが定格より低い出力での運転となり、発電のエネルギー効率が低下することとなる。また、上記のように、発電に余力が残っているにも拘わらず、電力の供給対象となる負荷以外の負荷に電力を供給できないといった問題があった。

本発明は、このような課題に鑑み、発電のエネルギー効率を高めるとともに、負荷に効率的に電力を供給することが可能な給電システムおよび給電方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の給電システムは、電力線を介して商用発電装置とともに複数の負荷に接続された発電装置と、複数の負荷それぞれの消費電力を監視する監視部と、商用発電装置から負荷への電力供給が絶たれた場合に、電力供給が絶たれる前の複数の負荷それぞれの消費電力に基づいて、複数の負荷から、発電装置が供給可能な電力内に消費電力が収まるように１または複数の負荷を選択する負荷選択部と、発電装置と、選択された１または複数の負荷とを接続する接続変更部と、を備えることを特徴とする。

複数の負荷には予め優先順位が設定されており、負荷選択部は、優先順位が高い負荷から順に選択してもよい。

負荷選択部は、電力供給が絶たれる前の消費電力が高い負荷または低い負荷から順に選択してもよい。

発電装置には、一度に投入可能な電力が制限されており、負荷選択部は、発電装置が投入可能な電力の上限を示す投入情報に基づいて段階的に負荷を選択してもよい。

複数の負荷は、発電装置における３相３線それぞれの線間に按分されており、負荷選択部は、３相３線の線間電力の差分が所定範囲に収まるように負荷を選択してもよい。

上記課題を解決するために、電力線を介して商用発電装置とともに複数の負荷に接続された発電装置によって負荷に給電する本発明の給電方法は、複数の負荷それぞれの消費電力を監視し、商用発電装置から負荷への電力供給が絶たれた場合に、電力供給が絶たれる前の複数の負荷それぞれの消費電力に基づいて、複数の負荷から、発電装置が供給可能な電力内に消費電力が収まるように１または複数の負荷を選択し、発電装置と、選択された１または複数の負荷とを接続することを特徴とする。

本発明によれば、発電のエネルギー効率を高めるとともに、負荷に効率的に電力を供給することが可能となる。

配電システムを説明するための図である。 給電システムの構成を説明するための説明図である。 負荷選択部の負荷の選択動作を説明するための説明図である。 発電装置の投入情報を説明するための説明図である。 投入情報を考慮した上での負荷選択部の負荷の選択動作を説明するための説明図である。 給電方法における処理の流れを説明するためのフローチャートである。

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等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、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。

（配電システム１００）
図１は、配電システム１００を説明するための図である。本実施形態において配電システム１００は、商用発電装置１１０と、電力線１２０と、負荷１３０と、給電システム１４０とを含んで構成される。

商用発電装置１１０は、電力会社によって管理される発電機であって、所謂、商用電力を生成する。電力線１２０は、商用発電装置１１０と、負荷１３０とを接続する電気の導線である。また、電力線１２０には、複数の開閉器１２０ａや変圧器１２０ｂが直列的に接続されている。開閉器１２０ａは、商用発電装置１１０と負荷１３０との電気接続を開閉する。変圧器１２０ｂは、送電された電力の電圧を負荷１３０で用いられる電圧に変換する。負荷１３０は、電気を消費する様々な電気機器をいう。

給電システム１４０は、停電時においても電力を供給するシステムであり、商用発電装置１１０同様、電力線１２０を通じて負荷１３０に電力を供給することができる。給電システム１４０は、区分された領域１０２毎に、その領域１０２内の負荷１３０を管理する。かかる領域１０２の区分は、町や村といった区域単位でもよいし、病院、工場、ホテル、レジャー施設、商業施設、マンションといった建物単位や、建物内の一部分でもよい。

上述したように、当該配電システム１００では、負荷１３０は、商用発電装置１１０および給電システム１４０のいずれからも、電力線１２０を介して電力の供給を受けることができる。したがって、例えば、通常時は、商用発電装置１１０、または、商用発電装置１１０および給電システム１４０から電力の供給を受け、停電時は、商用発電装置１１０の代わりに給電システム１４０から電力の供給を受けるといった切替が可能となる。本実施形態では、このように、停電等により、負荷１３０が商用発電装置１１０から電力の供給を受けられなくなった場合を想定している。

ただし、給電システム１４０は、商用発電装置１１０と比較して給電能力が低いため、商用発電装置１１０の電力供給範囲にある負荷１３０全てには電力を供給することができず、電力の供給対象となる負荷１３０を制限しなくてはならない。ここで、供給対象となる負荷を固定したり、余力を不要に大きく見積もると、給電システム１４０において運転条件が定格時より悪くなり発電のエネルギー効率が低下したり、発電に余力が残っているにも拘わらず、電力の供給を受けられない負荷１３０が多くなってしまう。

そこで、本実施形態の給電システム１４０では、負荷１３０の消費電力を常時監視し、停電時における負荷１３０の消費電力に応じて、不要に余力を残さないように、電力の供給対象となる負荷を選択する。こうして、給電システム１４０による発電のエネルギー効率を高めるとともに、負荷１３０に効率的に電力を供給することが可能となる。

（給電システム１４０）
図２は、給電システム１４０の構成を説明するための説明図である。給電システム１４０は、発電装置１４２と、監視部１４４と、負荷選択部１４６と、接続変更部１４８とを含んで構成される。

発電装置１４２は、自家発電装置やコジェネレーション装置の電力を発生する発電機である。ここで、自家発電装置としては、ガスエンジン発電機、ガスタービン発電機、燃料電池システム等があり、コジェネレーション装置としては、自家発電装置とその廃熱を利用した装置である。発電装置１４２は、電力線１２０を通じて負荷１３０に接続され、商用発電装置１１０と並行して負荷１３０に電力を供給することができる。本実施形態では、停電等により負荷１３０が商用発電装置１１０から電力の供給を受けられなくなった後、発電装置１４２が負荷１３０に対して電力の供給を行う。

監視部１４４は、複数の負荷１３０毎に設けられ、複数の負荷１３０それぞれの消費電力を監視し、負荷選択部１４６に各負荷１３０の消費電力を示す消費電力情報を出力する。かかる監視部１４４は、負荷１３０近傍の電力線１２０に新たに設置してもよいし、電気使用量に対する課金に用いている電気メータや、それに類似する電力量の測定装置を監視部１４４として利用してもよい。

負荷選択部１４６は、商用発電装置１１０から負荷１３０への電力供給が絶たれた場合に、監視部１４４を通じ、電力供給の対象となり得る複数の負荷１３０それぞれの停電時の消費電力（正確には停電直前の消費電力）を取得する。そして、その複数の負荷１３０それぞれの消費電力に基づいて、電力供給の対象となり得る複数の負荷１３０から、停電時の負荷１３０の消費電力の総和が、発電装置１４２が供給可能な電力内に収まるように１または複数の負荷１３０を選択し、選択した負荷１３０にのみ電力を供給させる。したがって、発電装置１４２の電力供給能力に余力がある場合、電力を供給する負荷１３０を追加して不要に余力を残さないようにし、不足しそうな場合は、電力を供給する負荷１３０を削減して過負荷を防止する。

接続変更部１４８は、電磁接触器（マグネティックコンダクタ）等のスイッチング手段を含んで構成され、電力線１２０と負荷１３０との接続態様を変更し、発電装置１４２と、負荷選択部１４６が選択した１または複数の負荷１３０との接続を行う。例えば、停電時に、発電装置１４２と選択された負荷１３０との接続がなされていなかった場合、両者を接続する。また、これとは逆に、停電時、発電装置１４２と選択された負荷１３０以外の負荷１３０との接続がなされていた場合、両者の接続を解除する。かかる接続変更部１４８は、負荷１３０近傍の電力線１２０に新たに設置してもよいし、継電器（リレー）や、それに類似するスイッチを接続変更部１４８として利用してもよい。こうして、不要に余力を残すことなく負荷１３０が選択されるので、給電システム１４０による発電のエネルギー効率を高め、負荷１３０に効率的に給電することが可能となる。

（負荷選択部１４６の動作）
続いて、負荷選択部１４６の具体的な動作を説明する。負荷選択部１４６は、電力供給の対象となり得る複数の負荷１３０から、以下の手順で電力供給の対象となる負荷１３０を選択する。

図３は、負荷選択部１４６の負荷の選択動作を説明するための説明図である。ここでは、図３（ａ）に示す優先情報のように、電力供給の対象となり得る複数の負荷１３０全て（例えば、負荷番号Ｌ１〜Ｌ３０）に予め優先順位が関連付けられている。

負荷選択部１４６は、優先情報を参照し、優先順位の高い（番号の若い）負荷１３０から順に選択する。例えば、発電装置１４２が供給可能な電力が２００ｋＷとすると、負荷選択部１４６は、優先順位の高い負荷１３０から順に選択するとともに、その負荷１３０の停電時の消費電力を、発電装置１４２が供給可能な電力である２００ｋＷから減算する。そして、発電装置１４２が供給可能な電力が０ｋＷ未満となると、その前までに選択された全ての負荷１３０を電力供給対象として選択する。例えば、図３（ａ）の例では、発電装置１４２が供給可能な電力２００ｋＷに対し、総消費電力が１４０ｋＷ（≦２００ｋＷ）となる優先順位１〜３の負荷１３０が選択される。

また、負荷選択部１４６は、予め定められた範囲（必須範囲）、例えば、商業施設の店舗に含まれる全ての負荷１３０を固定的に（最優先で）選択し、それ以外の範囲（選択範囲）、例えば、トイレや階段に含まれる負荷１３０に関しては、優先順位に従って負荷１３０を選択するとしてもよい。例えば、図３（ｂ）の例では、優先順位が０である複数の負荷１３０は、無条件で選択され、選択範囲の負荷１３０については、優先順位１から昇順に選択される。したがって、必須範囲における負荷１３０は、消費電力が変動したとしても発電装置１４２が供給可能な電力内に収まるように設計されている。

ところで、給電システム１４０の発電装置１４２は、発電装置１４２の運転上の制約から、一度に投入可能な電力が制限されている。したがって、発電装置１４２の最大供給能力で負荷１３０に電力を供給するとしても、一度に最大供給電力を供給することはできず、発電装置１４２が投入可能な電力の上限を示す投入情報に基づいて、段階的に電力を投入しなければならない。

図４は、発電装置１４２の投入情報を説明するための説明図である。図４には、横軸に、任意の時点に既に供給されている電力に相当するベース負荷率（％）が示され、縦軸に、その任意の時点において一度に投入可能な電力に相当する投入可能負荷率（％）が示されている。

仮に、最大供給電力１０００ｋＷの発電装置１４２を想定する。例えば、発電装置１４２を停電時から駆動開始したとすると、停電時には、未だ電力を供給していないのでベース負荷率が０％であり、図４にＡで示したように、発電装置１４２は、投入可能負荷率４０％に相当する電力、すなわち、４００ｋＷの電力を一度に供給することができる（１段階目の電力供給）。

そして、一旦、電力を投入して負荷１３０を接続すると、次の電力の投入までは、発電装置１４２の特性に応じて所定時間（例えば、１５秒）待たなければならない。所定時間が経過すると、負荷選択部１４６は、１段階目に選択した負荷１３０以外の負荷１３０を選択する。このとき、ベース負荷率は既に４０％（４００ｋＷに相当）となっているので、その時点では、図４にＢで示したように、投入可能負荷率２０％に相当する電力、すなわち、２００ｋＷの電力を一度に供給することができる（２段階目の電力供給）。

ここでは、負荷選択部１４６が、投入情報を通じて、その時点で投入可能な電力が最大となるように負荷１３０を選択するので、負荷１３０への電力供給の安定性を維持しつつ、最短の時間で電力の供給を再開することが可能となる。

図５は、投入情報を考慮した上での負荷選択部１４６の負荷の選択動作を説明するための説明図である。ここでは、図３同様、電力供給の対象となり得る複数の負荷１３０全てに予め優先順位が関連付けられている。

負荷選択部１４６は、優先情報を参照し、優先順位の高い負荷１３０から順次選択していく。ただし、ここでは、図４の投入情報が考慮されるので、ベース負荷率が０％時の投入可能負荷率４０％に相当する電力、すなわち、４００ｋＷの電力内で負荷１３０が選択される。例えば、図５の例では、負荷選択部１４６は、総消費電力が４００ｋＷ（≦４００ｋＷ）となる優先順位１〜５の負荷１３０を選択する（１段階目の電力供給）。

１段階目の負荷１３０が選択されると、負荷選択部１４６は、所定時間経過するのを待ち、新たに負荷１３０を選択する。このときベース負荷率が４０％時の投入可能負荷率２０％に相当する電力、すなわち、２００ｋＷの電力内で負荷１３０が選択される。例えば、図５の例では、負荷選択部１４６は、２段階目として総消費電力が１９０ｋＷ（≦２００ｋＷ）となる優先順位６、７の負荷１３０を選択する（２段階目の電力供給）。以降は、同様の動作を投入電力が１０００ｋＷとなるまで繰り返す。このようにして、負荷１３０への電力供給の安定性を維持しつつ、負荷１３０の優先順位に従って、最短の時間で電力の供給を再開することが可能となる。

（給電方法）
図６は、給電方法における処理の流れを説明するためのフローチャートである。図６では、所定のループ時間毎に割込信号が入力され、割込信号に応じて以下の処理が遂行される。また、変数として、投入制限カウンタ、上限電力変数、優先順位変数が保持されている。投入制限カウンタは、電力を連続して投入する場合の投入間の所定時間を計時するカウンタであり、上限電力変数は一度に投入できる電力の上限に相当する電力を示し、優先順位変数は、負荷１３０を接続する優先順位を示す。当該給電方法の開始時に、投入制限カウンタを０に初期化し、優先順位変数を１に初期化する。

図６を参照すると、給電システム１４０の負荷選択部１４６は、停電によって商用発電装置１１０からの電力の供給が絶たれたか否か判定する（Ｓ２００）。その結果、電力の供給が絶たれていないと判定すると（Ｓ２００におけるＮＯ）、当該給電方法を終了し、電力の供給が絶たれていると判定すると（Ｓ２００におけるＹＥＳ）、投入制限カウンタが０となっているか否か判定する（Ｓ２０２）。

投入制限カウンタが０以外であれば（Ｓ２０２におけるＮＯ）、負荷選択部１４６は、投入制限カウンタをデクリメント（−１）して（Ｓ２０４）、当該給電方法を終了する。投入制限カウンタが０であれば（Ｓ２０２におけるＹＥＳ）、負荷選択部１４６は、図４に示した投入情報を参照し、その時点で接続されている負荷１３０の総電力量（ベース負荷率）に基づいて、投入可能負荷率を導出し、その投入可能負荷率に相当する電力を上限電力変数に設定する（Ｓ２０６）。

続いて、負荷選択部１４６は、優先順位変数で示される負荷１３０の停電時の消費電力が、上限電力変数で示される電力以下であるか否か判定する（Ｓ２０８）。その結果、優先順位変数で示される負荷１３０の停電時の消費電力が、上限電力変数で示される電力以下であると判定すると（Ｓ２０８におけるＹＥＳ）、負荷選択部１４６は、その負荷１３０を、電力の供給対象として選択する（Ｓ２１０）。そして、負荷選択部１４６は、上限電力変数から優先順位変数で示される負荷１３０の停電時の消費電力を減算して上限電力変数を更新し（Ｓ２１２）、優先順位変数をインクリメント（＋１）して（Ｓ２１４）、ステップＳ２０８からを繰り返す。

また、優先順位変数で示される負荷１３０の停電時の消費電力が、上限電力変数で示される電力より大きいと判定すると（Ｓ２０８におけるＮＯ）、負荷選択部１４６は、投入制限カウンタに、投入制限される所定時間（例えば１５秒）に相当するカウント値を設定し（Ｓ２１６）、当該給電方法を終了する。

以上説明したように、本実施形態にかかる給電システム１４０および給電方法によると、発電のエネルギー効率を高めるとともに負荷１３０に効率的に電力を供給することが可能となる。また、電力の消費状態を把握し、投入情報を通じて、負荷投入量が最大となるように負荷１３０を選択するので、負荷１３０への電力供給の安定性を維持しつつ、最短の時間で電力の供給を再開できる。

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、本発明はかかる実施形態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。

例えば、上述した実施形態においては、負荷１３０に優先順位を付け、負荷選択部１４６が優先順位に従って負荷１３０を選択したが、かかる場合に限らず、例えば、負荷１３０の停電時の消費電力の高い順または低い順に選択するとしてもよい。また、優先順位と消費電力の高低を合わせて選択することもできる。例えば、優先順位が同一となる複数の負荷１３０を設け、同一の優勢順位の中で、消費電力の高い順に負荷１３０を選択する。かかる構成により、消費電力の大きい負荷１３０を停電時に優先的に接続するといったように、大口の顧客を優先して電力を供給したり、省エネを心がけている顧客を優先して電力を供給したりすることができる。

また、詳述はしなかったが、発電装置１４２から負荷１３０への電力の供給は、３相３線電力のそれぞれ線間電力を按分している場合がある。商用発電装置１１０が接続されているときは、３相３線の線間電力は平衡となるように制御されるが、停電時において、接続された負荷１３０の総消費電力によっては、不平衡となるおそれがある。そこで、負荷選択部１４６は、数式１〜３に基づき、３相３線の線間電力の差分が所定範囲に収まるように負荷１３０を選択する。
ＵＶ＋ＶＷ−２ＷＵ<所定値…（数式１）
ＶＷ＋ＷＵ−２ＵＶ<所定値…（数式２）
ＷＵ＋ＵＶ−２ＶＷ<所定値…（数式３）
ただし、ＵＶはＵ相とＶ相との線間電力、ＶＷはＶ相とＷ相との線間電力、ＷＵはＷ相とＵ相との線間電力である。

例えば、負荷選択部１４６は、負荷１３０を選択する毎に、上記の数式１〜３を満たすか否か判定し、満たさないと判定した場合に、任意の負荷１３０を削除したり、追加したりして平衡となるように試みる。かかる構成により、相関電力同士を平衡に保つことができ、効率的に電力の供給を行うことが可能となる。

また、上述した実施形態では、複数の負荷１３０から、発電装置１４２が供給可能な電力内に消費電力が収まるように１または複数の負荷１３０を選択するとしたが、発電装置１４２が供給可能な電力から所定の電力（余裕分）を減算した電力内に収まるように選択してもよい。こうして、電力の供給を再開した後に、負荷１３０の消費電力が変動したとしても、過負荷を回避することが可能となる。

なお、本明細書の給電方法における各工程は、必ずしもフローチャートして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はない。

本発明は、商用電力装置から複数の負荷に電力を供給する配電システムにおいて、停電時に一部の負荷に電力を供給する給電システムおよび給電方法に利用することができる。

１００ …配電システム
１１０ …商用発電装置
１２０ …電力線
１３０ …負荷
１４０ …給電システム
１４２ …発電装置
１４４ …監視部
１４６ …負荷選択部
１４８ …接続変更部

Claims (6)

1. 電力線を介して商用発電装置とともに複数の負荷に接続された発電装置と、
   前記複数の負荷それぞれの消費電力を監視する監視部と、
   前記商用発電装置から負荷への電力供給が絶たれた場合に、該電力供給が絶たれる前の前記複数の負荷それぞれの消費電力に基づいて、前記複数の負荷から、前記発電装置が供給可能な電力内に消費電力が収まるように１または複数の負荷を選択する負荷選択部と、
   前記発電装置と、前記選択された１または複数の負荷とを接続する接続変更部と、
   を備えることを特徴とする給電システム。
2. 前記複数の負荷には予め優先順位が設定されており、前記負荷選択部は、該優先順位が高い負荷から順に選択することを特徴とする請求項１に記載の給電システム。
3. 前記負荷選択部は、電力供給が絶たれる前の消費電力が高い負荷または低い負荷から順に選択することを特徴とする請求項１または２に記載の給電システム。
4. 前記発電装置には、一度に投入可能な電力が制限されており、
   前記負荷選択部は、前記発電装置が投入可能な電力の上限を示す投入情報に基づいて段階的に負荷を選択することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の給電システム。
5. 前記複数の負荷は、前記発電装置における３相３線それぞれの線間に按分されており、
   前記負荷選択部は、前記３相３線の線間電力の差分が所定範囲に収まるように負荷を選択することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の給電システム。
6. 電力線を介して商用発電装置とともに複数の負荷に接続された発電装置によって該負荷に給電する給電方法であって、
   前記複数の負荷それぞれの消費電力を監視し、
   前記商用発電装置から負荷への電力供給が絶たれた場合に、該電力供給が絶たれる前の前記複数の負荷それぞれの消費電力に基づいて、前記複数の負荷から、前記発電装置が供給可能な電力内に消費電力が収まるように１または複数の負荷を選択し、
   前記発電装置と、前記選択された１または複数の負荷とを接続することを特徴とする給電方法。

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