JP2014192970A

JP2014192970A - 位相判別方式電力制御システム

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Publication number: JP2014192970A
Application number: JP2013064781A
Authority: JP
Inventors: Ryota Nakamura; 亮太中村; Akiyoshi Tominaga; 哲欣富永; Kazuhiro Matsuda; 和浩松田; Masahito Maruyama; 雅人丸山
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2014-10-06

Abstract

【課題】電力のルーティングにより、環境付加価値のついた電力を供給するための、位相判別方式電力制御システムを提供する。
【解決手段】本発明は、複数電源の電力が混合された第１の電力を送電する送電部と、該第１の電力を受電する受電部と、を備えた位相判別方式電力制御システムであって、前記送電部は、第１の電力信号に基づいて基準信号を生成し、該生成された基準信号に基づいて、第１の電力信号以外の電力信号を第１の電力信号と同期させ、ユーザーによって定められた割合に従って同期信号を生成し、該生成した同期信号に基づいて前記複数の電源の電力を前記割合ごとに振り分け、該振り分けした電力を足し合わせ前記第１の電力を生成する入力制御部を備え、前記受電部は、前記生成した同期信号に基づいて前記第１の電力の波形を前記割合ごとに各々分離して、前記各々分離した第１の電力の波形を各々交流波形に変換するコンバータを備えた。
【選択図】図２

Description

本発明は、位相判別方式電力制御システムに関し、より詳細には、エネルギーネットワークにおける、位相判別方式電力制御システムに関する。

近年、環境問題に関して高い関心が寄せられる中、発電時におけるCO₂の排出量がゼロのグリーン電力の需要が高まっている。グリーン電力とは太陽光、風力およびバイオマスなどの再生可能エネルギーで作った電力のことをいう。現在では、「グリーン電力証書システム」といった、「グリーン電力証書」の購入によりグリーン電力を使用しているとみなされる制度がある。

「グリーン電力証書システム」とは、再生可能エネルギーにより発電された電気の環境付加価値を、証書発行する事業者が第三者機関（グリーンエネルギー認証センター）の認証を得て、「グリーン電力証書」という形で、企業・自治体などと取引する仕組みである。「グリーン電力証書」を購入する企業・自治体などが支払う費用は、証書発行する事業者を通じてグリーン電力を発電する発電設備の維持・拡大などに利用される。

「グリーン電力証書」を購入する企業・自治体などは、「グリーン電力証書」の取得により、発電設備を持たなくても、証書に記載された電力量（kWh）相当分のグリーンエネルギーの普及に貢献し、グリーン電力を利用したとみなされるため、地球温暖化防止につながる仕組みとして関心が高まっている。

しかし、企業・自治体が、「グリーン電力証書」を購入しても、直接的に自然エネルギーで作られた電気を使用しているわけではない。「グリーン電力証書」の購入により環境付加価値を得られるが、「グリーン電力証書」の購入者がCO₂の排出を伴う発電による電力を使用していた場合は、地球温暖化などの環境問題の解決に直結しない。

2010年には大手電機メーカーと大手電力会社が共同出資し、グリーン電力を送電する新会社を立ち上げようとした経緯があることからも伺えるように、世間ではグリーン電力証書の購入ではなく、実際にCO₂の排出量がゼロの電力が求められている。

一方、一般にはユーザーは、グリーン電力とグリーン電力以外のどちらかを選択して購入することができず、電力会社から購入する電力は、様々な方法で発電された電力が混ざった電力である。

電力会社から購入する、様々なエネルギー資源を用いた発電には「安定性」「環境性」「経済性」の側面で様々な特長がある。例えば、火力発電なら発電の調整がし易いため「安定性」に長所がある一方、燃料を燃やすことによりCO₂を排出するので「環境性」に短所がある。水力発電は、CO₂を排出しない分「環境性」が良いともいえるが、ダム建設のために莫大な費用がかかり、「経済性」に欠点があるといえる。原子力発電は、少ない燃料に対して多量の電力が発電可能で「経済性」が高いといえる一方、徹底した放射能汚染の対策が必要という「環境性」に欠点があるといえる。グリーン電力の発電は、発電の際のCO₂の排出量がゼロなので「環境性」に利点がある。

そこで現在の電力は、発電における「安定性」「環境性」「経済性」を最も効率的に達成するよう、原子力発電の電力をベースに火力発電の電力や水力発電の電力、そしてグリーン電力がバランスよく組み合わされている。各種発電などをバランスよく組み合わせることは、電力のベストミックスと呼ばれている。

CO₂を排出する発電による電力に代えてグリーン電力を使用することは、地球温暖化などの環境問題の解決につながり、グリーン電力の提供は、環境付加価値のついた電力提供である。そこで、現在の混ざった電力からグリーン電力を取り出し提供することは、環境付加価値のついた電力提供サービスとなる。

井上淳著、「パケット電力取引に基づく革新的配電システムの提案」、平成２１年度電力技術・電力系統技術合同研究会

しかし、ユーザーが電力会社から購入する電力は、グリーン電力を含む、様々な方法で発電された電力が混ざった電力であるため、混ざった電力からグリーン電力を取り出すのは困難である。一方、混ざった電力からグリーン電力だけ取り出す試みがなされている。実際にグリーン電力とグリーン電力以外の電力を電力のパケット化により分別する、電力のルーティングを実現する方法がある（例えば、特許文献１参照）。しかし、未だ検討段階であり実用化に至っていない。

従来の送電システムにおいては、複数の電源から供給された電力を、電源が区別できない単一波形の交流電力として送電している。よって、再生可能エネルギーから発電されたグリーン電力等、特定の電源から供給された電力のみを受電して利用することが出来ないという問題点があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、電力のルーティングにより、由来（発電の種類）別で各機器に電力を供給するための、位相判別方式電力制御システムを提供することにある。

上記課題を解決するための手段として、太陽光発電や燃料発電などの分散型電源と、電力系統との連系を交流電流の位相によって入力先を切り替える。また、負荷側も特定の位相から電力を取り出すことで、電力のルーティングを実現する。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、複数の電源で発電された電力を混合して生成された第１の電力を送電する送電部と、該第１の電力を受電する受電部と、を備えた位相判別方式電力制御システムであって、前記送電部は、前記複数の電源で発電された電力信号のうち第１の交流の電力信号に基づいて基準信号を生成し、該生成された基準信号に基づいて、前記第１の交流の電力信号以外の前記複数の電源で発電された電力信号を前記第１の交流の電力信号と同期させ、ユーザーによって定められた割合に従って同期信号を各々生成し、該各々生成した同期信号に基づいて前記複数の電源で発電された前記割合ごとに電力を各々振り分け、該各々振り分けした電力を足し合わせ前記第１の電力を生成する入力制御部を備え、前記受電部は、前記各々生成した同期信号に基づいて前記第１の電力の波形を前記割合ごとに各々分離して、前記各々分離した第１の電力の波形を各々交流波形に変換するコンバータを備えたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、現在まで実現されていない電力のルーティングを行うことが可能となる。また本発明によれば、ユーザーは由来別の電力（例えば、太陽光発電による電力や、燃料電池による電力など）を選び、各機器において望む電力で駆動することが可能となる。よって、環境付加価値のついた電力を提供する新たなサービスをユーザーに提供することが可能となる。

本発明の一実施形態にかかる位相判別方式電力制御システムのモックアップを示す図である。本発明の一実施形態にかかるフロー図である。本発明の一実施形態において、位相により由来別に割り当てられた電力の送電イメージを示す図である。本発明の一実施形態において、各由来別電力によって家電を使用する一例を示し、特定の機器を駆動させるイメージを示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の一実施形態について詳細に説明する。

図１に本発明の一実施形態にかかる、位相による位相判別方式電力制御システムのモックアップを示す。

（構成）
本発明にかかる一実施形態において、位相判別方式電力制御システム１は、送電部２と受電部３とを備えている。

送電部２は、電力系統１０、燃料電池１１、および太陽光発電１２から送電された各電力を受電する。燃料電池１１から送電される直流の電力信号Ｓ_ｆｕｅｌ _ＤＣは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４により、燃料電池１１で発電された電力が効率よく取り出され、送電部２へ送電される。太陽光発電１２によって発電された直流の電力信号Ｓ_{ｓｏｌａｒ} _ＤＣは、ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking：最大電力ポイント追跡）１５により、太陽光発電１２で発電された電力が最大となるように取り出され、送電部２へ送電される。

送電部２は、電力系統１０から送電される交流電力の位相情報Ｉ_１を受信し、位相情報Ｉ_１に基づいて基準信号Ｓ_ＲＥＦ１、Ｓ_ＲＥＦ２を生成し、生成された基準信号Ｓ_ＲＥＦ１、Ｓ_ＲＥＦ２をインバータ１６、１７へ送信する入力制御部１３を含む。

また、送電部２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４により取り出された直流の電力信号を、交流の電力信号Ｓ_{ｆｕｅｌ１}に変換するインバータ１６と、ＭＰＰＴ１５により直流の電力信号を、交流の電力信号Ｓ_{ｓｏｌａｒ１}に変換するインバータ１７とを含む。

さらに、送電部２は、入力制御部１３から送信された同期信号Ｓ_１に基づいて、交流の電力信号Ｓ_ＥＰＳ１（第１の交流の電力信号）をON／OFF制御するスイッチング素子１８と、入力制御部１３から送信された同期信号Ｓ_２に基づいて、交流の電力信号Ｓ_{ｆｕｅｌ１}をON／OFF制御するスイッチング素子１９と、入力制御部１３から送信された同期信号Ｓ_３に基づいて、交流の電力信号Ｓ_{ｓｏｌａｒ１}をON／OFF制御するスイッチング素子２０とを含む。

また、送電部２は、スイッチング素子１８によりON／OFF制御され生成された交流の電力信号Ｓ_ＥＰＳ２、スイッチング素子１９によりON／OFF制御され生成された交流の電力信号Ｓ_{ｆｕｅｌ２}、およびスイッチング素子２０によりON／OFF制御され生成された交流の電力信号Ｓ_{ｓｏｌａｒ２}を加算する加算回路２１を含む。

受電部３は、加算回路２１によって加算された単一波形の交流の電力信号Ｓ_{ｔｏｔａｌ１}を、第１の所定の電力の大きさの電力信号Ｓ_{ｔｏｔａｌ２}と、第２の所定の電力の大きさの電力信号Ｓ_{ｔｏｔａｌ３}とに分ける入力部２８を含む。

また、受電部３は、入力制御部１３から送信された同期信号Ｓ_４に基づいて、電力信号Ｓ_{ｔｏｔａｌ２}をON／OFF制御するスイッチング素子２２と、入力制御部１３から送信された同期信号Ｓ_５に基づいて、電力信号Ｓ_{ｔｏｔａｌ３}をON／OFF制御するスイッチング素子２３とを含む。

さらに、受電部３は、スイッチング素子２２によりON／OFF制御され生成された電力信号Ｓ_{ｆｕｅｌ３}を交流波形（例えば、正弦波）の電力信号Ｓ_{ｆｕｅｌ４}に変換するコンバータ２４と、スイッチング素子２２によりON／OFF制御され生成された電力信号Ｓ_{ｆｕｅｌ３}を交流波形の電力信号Ｓ_{ｓｏｌａｒ４}に変換するコンバータ２４とを含む。

また、受電部３は、変換された交流波形の電力信号Ｓ_{ｆｕｅｌ４}を負荷２６に供給し、変換された交流波形の電力信号Ｓ_{ｓｏｌａｒ４}を、負荷２７に供給する出力部２９を含む。

電力系統１０に接続された電源は、例えば、火力発電でも、グリーン電力の風力発電でもよい。図１で示した電力系統は一例で、電力系統１０、燃料電池電力１１、および太陽光発電電力１２はそれぞれ複数あってもよい。

（動作）
図２に本発明の一実施形態にかかるフロー図を示す。

入力制御部１３は、電力系統１０から送電された交流の電力信号Ｓ_ＥＰＳ１の位相情報Ｉ_１を受信して基準信号Ｓ_ＲＥＦ１、Ｓ_ＲＥＦ２を生成し（Ｓ１０１）、生成した基準信号Ｓ_ＲＥＦ１をインバータ１６に送信し、生成した基準信号Ｓ_ＲＥＦ２をインバータ１７に送信する。

インバータ１６は、燃料電池１１から送電され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を介して取り出された直流の電力信号を交流の電力信号に変換する（Ｓ１０２）。また、インバータ１７は、太陽光発電１２から送電され、ＭＰＰＴ１５を介して取り出された直流の電力信号を交流の電力信号に変換する（Ｓ１０２）。

インバータ１６は、変換した交流の電力信号を、受信した基準信号Ｓ_ＲＥＦ１に基づいて交流の電力信号Ｓ_ＥＰＳ１と同期させて、交流の電力信号Ｓ_{ｆｕｅｌ１}を生成する（Ｓ１０３）。また、インバータ１７は、変換した交流の電力信号を、受信した基準信号Ｓ_ＲＥＦ２に基づいて交流の電力信号Ｓ_ＥＰＳ１と同期させて、交流の電力信号Ｓ_{ｓｏｌａｒ１}を生成する（Ｓ１０３）。

分散型電源からの電力は直流であるため、インバータ１６、１７によって交流100Vに変換される。

入力制御部１３は、電力系統１０から受信した位相情報Ｉ_１に基づいて、ユーザーの定めた割合に応じて位相ごとに由来別に振り分ける第１の同期信号Ｓ_１、第２の同期信号Ｓ_２、第３の同期信号Ｓ_３、第４の同期信号Ｓ_４、第５の同期信号Ｓ_５を生成する（Ｓ１０４）。

入力制御部１３は、交流の電力信号Ｓ_ＥＰＳ１に対し、第１の同期信号Ｓ_１に基づいて、スイッチング素子１８によりON／OFFの操作を行う（Ｓ１０５）。また、入力制御部１３は、交流の電力信号Ｓ_{ｆｕｅｌ１}に対し、第２の同期信号Ｓ_２に基づいて、スイッチング素子１９によりON／OFFの操作を行う（Ｓ１０５）。さらに入力制御部１３は、交流の電力信号Ｓ_{ｓｏｌａｒ１}に対し、第３の同期信号Ｓ_３に基づいて、スイッチング素子２０によりON／OFFの操作を行う（Ｓ１０５）。

入力制御部１３は、スイッチング素子１８〜２０を操作し、３経路ある電力の経路のうち１つをON状態にし、残り２つをOFF状態にする。入力制御部１３は、スイッチング素子１８〜２０により、ユーザーの定めた割合に応じて位相ごとに由来別に振り分ける。スイッチング素子１８〜２０により位相ごとに入力先を入れ替えることによって、電力を由来別に分けることが可能となる。

加算回路２１は、スイッチング素子１８により生成された電力信号Ｓ_ＥＰＳ２、スイッチング素子１９により生成された電力信号Ｓ_{ｆｕｅｌ２}、およびスイッチング素子２０により生成された電力信号Ｓ_{ｓｏｌａｒ２}を加算して、単一波形の交流の電力信号Ｓ_{ｔｏｔａｌ１}を生成する（Ｓ１０６）。

図３に本発明の一実施形態の単一波形の交流の電力信号Ｓ_{ｔｏｔａｌ１}において、位相により由来別に振り分けられた電力の送電イメージを示す。図３に示す単一波形は、左から太陽光発電１２の電力（Ａ）、燃料電池１１の電力（Ｂ）、電力系統１０の電力（Ｃ）の順で位相により由来別に振り分けられている。

入力部２８は、単一波形の交流の電力信号Ｓ_{ｔｏｔａｌ１}を第１の所定の電力の大きさの電力信号Ｓ_{ｔｏｔａｌ２}と、第２の所定の電力の大きさの電力信号Ｓ_{ｔｏｔａｌ３}とに分ける（Ｓ１０７）。

入力制御部１３は、第１の所定の電力の大きさの電力信号Ｓ_{ｔｏｔａｌ２}に対し、第４の同期信号Ｓ_４に基づいて、スイッチング素子２２によりON／OFFの操作を行う（Ｓ１０８）。また入力制御部１３は、第２の所定の電力の大きさの電力信号Ｓ_{ｔｏｔａｌ３}に対し、第５の同期信号Ｓ_５に基づいて、スイッチング素子２３によりON／OFFの操作を行う（Ｓ１０８）。

コンバータ２４は、スイッチング素子２２のON／OFFの操作により生成された電力信号Ｓ_{ｆｕｅｌ３}を、交流波形の電力信号Ｓ_{ｆｕｅｌ４}に変換する（Ｓ１０９）。コンバータ２５は、スイッチング素子２３のON／OFFの操作により生成された電力信号Ｓ_{ｓｏｌａｒ３}を、交流波形の電力信号Ｓ_{ｓｏｌａｒ４}に変換する（Ｓ１０９）。なお、コンバータ２４、２５は、電力信号Ｓ_{ｆｕｅｌ３}、電力信号Ｓ_{ｓｏｌａｒ３}をコンデンサなどに充電可能な信号に変換して、一度コンデンサなどで充電してから、交流波形の電力信号Ｓ_{ｆｕｅｌ４}、電力信号Ｓ_{ｓｏｌａｒ４}に変換する機能を有してもよい。

出力部２９は、変換された電力信号Ｓ_{ｆｕｅｌ４}を負荷２６に供給し（Ｓ１１０）、変換された電力信号Ｓ_{ｓｏｌａｒ４}を負荷２７に供給する（Ｓ１１０）。

したがって、位相と電力の由来別情報を紐付けることにより、電力のルーティングを実現する。

図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に本発明の一実施形態において、各由来別電力によって家電を使用する一例を示し、特定の機器を駆動させるイメージを示す。

太陽光発電１２の電力（Ａ）は、本発明の一実施形態により、第５の同期信号Ｓ_５に基づいて、図４（ａ）に示す波形の交流電力をコンバータ２５が取得し、電気機器に使用できる交流波形にコンバータ２５で変換する。コンバータ２５で変換された交流により、図４（ａ）に示す掃除機の駆動が可能となる。

また、燃料電池１１の電力（Ｂ）は、本発明の一実施形態により、第４の同期信号Ｓ_４に基づいて、図４（ｂ）に示す波形の交流電力をコンバータ２４が取得し、電気機器に使用できる交流波形にコンバータ２４で変換する。コンバータ２４で変換された交流により、図４（ｂ）に示すＰＣの駆動が可能となる。

さらに、電力系統１０の電力（Ｃ）は、本発明の一実施形態により、同期信号（図示せず）に基づいて、図４（ｃ）に示す波形の交流電力をコンバータ（図示せず）が取得し、電気機器に使用できる交流波形にコンバータ（図示せず）で変換する。コンバータ（図示せず）で変換された交流により、図４（ｃ）に示す洗濯機の駆動が可能となる。

なお、２つの電源が１つの電気機器を駆動させるために使用されてもよい。

以上の本発明の一実施形態によれば、現在まで実現されていない電力のルーティングを行うことが可能となる。また本発明の一実施形態によれば、ユーザーは由来別の電力を選び、各機器において望む電力で駆動することが可能となる。よって、環境付加価値のついた電力を提供する新たなサービスをユーザーに提供することが可能となる。環境付加価値のついた電力の使用により環境問題が改善され得る。

すなわち、複数の電源からの出力を混合し、通常の系統を経由した単一波形の交流送電においても、特定の電源から供給された電力のみを選択的に受電して負荷に供給することが可能となり、各電源が供給する電力と、負荷が消費する電力とを明確に関連付けることが可能となる。

言い換えれば、交流電流の位相と、電力の由来情報を紐付けることによって、各電力は由来別に割り当てられた状態で送電されることが可能となる。また、負荷側においても特定の位相から電力を取り出すことによって、望む機器もしくは建物を望む由来の電力でまかなうことが可能となる。

１位相判別方式電力制御システム
２送電部
３受電部
１０電力系統
１１燃料電池
１２太陽光発電
１３入力制御部
１４ＤＣ／ＤＣコンバータ
１５ＭＰＰＴ
１６、１７インバータ
１８、１９、２０、２２、２３スイッチング素子
２１加算回路
２４、２５コンバータ
２６、２７負荷
２８入力部
２９出力部

Claims

複数の電源で発電された電力を混合して生成された第１の電力を送電する送電部と、該第１の電力を受電する受電部と、を備えた位相判別方式電力制御システムであって、
前記送電部は、
前記複数の電源で発電された電力信号のうち第１の交流の電力信号に基づいて基準信号を生成し、該生成された基準信号に基づいて、前記第１の交流の電力信号以外の前記複数の電源で発電された電力信号を前記第１の交流の電力信号と同期させ、ユーザーによって定められた割合に従って同期信号を各々生成し、該各々生成した同期信号に基づいて前記複数の電源で発電された前記割合ごとに電力を各々振り分け、該各々振り分けした電力を足し合わせ前記第１の電力を生成する入力制御部を備え、
前記受電部は、
前記各々生成した同期信号に基づいて前記第１の電力の波形を前記割合ごとに各々分離して、前記各々分離した第１の電力の波形を各々交流波形に変換するコンバータを備えたことを特徴とする位相判別方式電力制御システム。