JP2021132513A

JP2021132513A - 電源システム

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Publication number: JP2021132513A
Application number: JP2020028018A
Authority: JP
Inventors: 弘典柏原; Hironori Kashiwabara
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 2020-02-21
Filing date: 2020-02-21
Publication date: 2021-09-09
Anticipated expiration: 2040-02-21
Also published as: JP7440752B2

Abstract

【課題】瞬低時における分散型電源のＦＲＴ要件を満たしつつも、負荷への過電圧を抑制することができ、なおかつ、事故電流をより確実に遮断できるようにする。【解決手段】商用電力系統１に接続された分散型電源２と、商用電力系統１及び分散型電源２を接続する電力線に設けられた第１開閉スイッチ３と、第１開閉スイッチ３に並列接続された第１インピーダンス素子４と、第１開閉スイッチ３及び第１インピーダンス素子４に並列接続された第２開閉スイッチ６と、第２開閉スイッチ６に直列接続されるとともに、第１開閉スイッチ３及び第１インピーダンス素子４に並列接続されており、第１インピーダンス素子４よりも小さいインピーダンスの第２インピーダンス素子７と、第１開閉スイッチ３及び第２開閉スイッチ６を開閉する制御装置５とを備え、制御装置５が、第１開閉スイッチ３及び第２開閉スイッチ６が閉じられている状態において解列信号を受け取ると、第１開閉スイッチ３を開き、その後に第２開閉スイッチ６を開くようにした。【選択図】図２

Description

本発明は、電源システムに関するものである。

従来の電源システムとしては、特許文献１に示すように、商用電力系統の異常時に重要負荷に電力を供給する無停電電源システムとしての機能（無停電電源機能）と、商用電力系統に対して順潮流及び逆潮流することで負荷平準化する分散型電源システムとしての機能（負荷平準化機能）とを、共通の分散型電源を用いて両立するように構成されたものがある。

この電源システムは、瞬低時において分散型電源を商用電力系統から解列することなく継続運転させる、所謂ＦＲＴ（事故時運転継続）要件を満たすべく、商用電力系統と分散型電源とを接続する電力線に開閉スイッチを設けるとともに、当該開閉スイッチに対してインピーダンス素子を並列接続してある。

かかる構成により、瞬低時において開閉スイッチを開放しても、分散型電源はインピーダンス素子を介して商用電力系統と連系されるので、分散型電源のＦＲＴ要件を満たしつつ、無停電電源機能及び負荷平準化機能を両立させることができる。

しかしながら、上述した構成において、インピーダンス素子のインピーダンスが大きいと、負荷の解列時に開閉スイッチを開放することで、負荷に過電圧が生じてしまう恐れがある。かといって、インピーダンスが小さいと、瞬低時における商用電力系統への事故電流を完全に遮断することができない可能性があり、インピーダンスの選定には困難を伴う。

特許第６３３８１３１号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、瞬低時における分散型電源のＦＲＴ要件を満たしつつも、負荷への過電圧を抑制することができ、なおかつ、事故電流をより確実に遮断できるようにすることをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る電源システムは、商用電力系統に接続された分散型電源と、前記商用電力系統及び前記分散型電源を接続する電力線に設けられた第１開閉スイッチと、前記第１開閉スイッチに並列接続された第１インピーダンス素子と、前記第１開閉スイッチ及び前記第１インピーダンス素子に並列接続された第２開閉スイッチと、前記第２開閉スイッチに直列接続されるとともに、前記第１開閉スイッチ及び前記第１インピーダンス素子に並列接続されており、前記第１インピーダンス素子よりも小さいインピーダンスの第２インピーダンス素子と、前記第１開閉スイッチ及び前記第２開閉スイッチを開閉する制御装置とを備え、前記制御装置が、前記第１開閉スイッチ及び前記第２開閉スイッチが閉じられている状態において解列信号を受け取ると、前記第１開閉スイッチを開き、その後に前記第２開閉スイッチを開くことを特徴とするものである。

このように構成された電源システムによれば、第１開閉スイッチを開いて負荷を商用電力系統から解列しても、分散型電源は第１インピーダンス素子や第２インピーダンス素子を介して商用電力系統と連系されるので、分散型電源のＦＲＴ要件を満たすことができる。
そのうえで、第１開閉スイッチを開き、その後に第２開閉スイッチを開くので、分散型電源と商用電力系統との間のインピーダンスを段階的に上げることができる。これにより、第１開閉スイッチを開いた後、第１開閉スイッチを流れていた電流は、まずインピーダンスの小さい第２インピーンダンス素子に転流するので、負荷への過電圧を抑制することができる。そして、その後に第２開閉スイッチを開くことで、事故電流をインピーダンスの大きい第１インピーダンス素子に転流させることができ、商用電力系統への事故電流をより確実に遮断することができる。

ところで、上述した構成において、第２インピーダンス素子のインピーダンスが小さ過ぎると、第２インピーダンス素子に転流する電流が、分散型電源の許容電流を上回る恐れがあり、そうすると分散型電源が停止してしまう。
そこで、前記第２インピーダンス素子のインピーダンスが、前記分散型電源の容量及び定格電圧に基づいて定められていることが好ましい。
このように、第２インピーダンス素子を分散型電源の容量及び定格電圧に基づいて選定することで、第２インピーダンス素子に転流する電流を、分散型電源の許容電流以下に抑えることができる。

より具体的な実施態様としては、前記第１開閉スイッチが開かれた際に前記第２インピーダンス素子に流れる電流量と前記負荷に流れる電流量とを合計した電流量が、前記分散型電源の許容電流量よりも小さくなるように、前記第２インピーダンス素子のインピーダンスが定められていることが好ましい。

さらには、前記第２インピーダンス素子のインピーダンスをＺ_２、前記分散型電源の容量をＳ、前記分散型電源の定格電圧をＶとした場合に、Ｖ^２／Ｓ≦Ｚ_２を満たすことが好ましい。
これならば、分散型電源の電流出力を２ｐｕ以内に抑制することができる。

このように構成した本発明によれば、瞬低時における分散型電源のＦＲＴ要件を満たしつつも、負荷への過電圧を抑制することができ、なおかつ、事故電流をより確実に遮断することができる。

本実施形態の電源システムの回路構成を模式的に示す図。本実施形態の制御装置の動作を説明するための回路構成を模式的に示す図。本実施形態の制御装置の動作を説明するための回路構成を模式的に示す図。従来の系統電圧や負荷電圧の変動を示すグラフ。本実施形態の系統電圧や負荷電圧の変動を示すグラフ。その他の実施形態における電源システムの回路構成を模式的に示す図。

以下に、本発明に係る電源システムの一実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態の電源システム１００は、図１に示すように、商用電力系統１と負荷Ｘとの間に設けられ、商用電力系統１の異常時に負荷Ｘに電力を供給する無停電電源システムとしての機能（無停電電源機能）と、商用電力系統１に対して順潮流及び逆潮流することで負荷平準化する分散型電源システムとしての機能（負荷平準化機能）を発揮するものである。

ここで、商用電力系統１は、電力会社（電気事業者）の電力供給網であり、発電所、送電系統及び配電系統を有するものである。また、負荷Ｘは、停電や瞬低などの系統異常時においても電力を安定して供給すべき重要負荷であり、図１では１つであるが、複数あっても良い。さらに、この商標電力系統１には、負荷Ｘとは別の１又は複数の一般負荷が接続されていても良い。

具体的に電源システム１００は、図示しない無停電電源装置（ＵＰＳ）と、分散型電源２と、商用電力系統１から負荷Ｘを解列する第１開閉スイッチ３と、第１開閉スイッチ３に並列接続されたインピーダンス素子４と、第１開閉スイッチ３を開閉する制御装置５とを備えている。
なお、図示しない無停電電源装置の一例としては、二次電池（蓄電池）などの電力貯蔵装置（蓄電デバイス）を有し、商用電力系統１の健全状態においては停止状態となり、商標電力系統１の異常状態においては運転状態となるものなどを挙げることができる。

分散型電源２は、商用電力系統１に連系されるとともに、逆潮流を含む運転をするものであり、これにより分散型電源２によるピークカット／ピークシフトを実現することができるので、上述した負荷平準化機能が発揮される。
なお、分散型電源２の具体例としては、例えば燃料を用いた熱利用設備である所謂コジェネ又はモノジェネと称させるもの、太陽光発電や燃料電池などの直流発電設備と電力変換装置とを有するもの、風力発電やマイクロガスタービンなどの交流で出力された電気エネルギを直流に整流したうえで、電力変換装置を用いて系統連系をされる発電設備、又は、同期発電機や誘導発電機などの交流発電設備などを挙げることができ、本電源システム１００としては、これらの１又は複数を備えていても良い。

第１開閉スイッチ３は、商用電力系統１及び分散型電源２を接続する電力線に設けられており、具体的には半導体スイッチ、又は、半導体スイッチと機械式スイッチとを組み合わせたハイブリッドスイッチなどの高速切り替えが可能な開閉スイッチを用いることができる。

第１インピーダンス素子４は、第１開閉スイッチ３に並列接続されており、所定の第１インピーダンスを有するものであり、具体的には例えば限流リアクトル等である。

制御装置５は、第１開閉スイッチ３よりも商用電力系統１側の電圧が整定値以下となった場合に、そのことを示す解列信号を受け取り、第１開閉スイッチ３を開放するように構成されている。なお、本実施形態の整定値は、瞬低を検出するための電圧値である。このように制御装置５が第１開閉スイッチ３を開放させることにより、商用電力系統１及び分散型電源２はインピーダンス素子４を介して接続された状態となる。これにより、瞬低時において分散型電源２を商用電力系統１から解列することなく逆潮流を含む運転を継続させることができ、所謂ＦＲＴ（事故時運転継続）要件を満たすことができる。

ここで、本実施形態の電源システム１００は、図１〜図３に示すように、第１開閉スイッチ３及び第１インピーダンス素子４に並列接続された第２開閉スイッチ６と、第２開閉スイッチ６に直列接続されるとともに、第１開閉スイッチ３及び第１インピーダンス素子４に並列接続された第２インピーダンス素子７とをさらに備えてなる。

第２開閉スイッチ６は、例えば第１開閉スイッチ３よりも切り替え速度の遅いものであり、具体的には機械式スイッチ等を用いることができる。なお、第２開閉スイッチ６として、半導体スイッチや上述したハイブリッドスイッチ等を用いても構わない。

第２インピーダンス素子７は、上述した第１インピーダンスよりも小さい所定の第２インピーダンスを有するものであり、具体的には例えば限流リアクトル等である。この第２インピーダンスは、分散型電源２の容量及び分散型電源２の定格電圧に基づいて定められている。より詳細には、上述した制御装置５が第１開閉スイッチ３を開いた際における第２インピーダンス素子７に流れる電流量と負荷Ｘに流れる電流量とを合計した電流量が、分散型電源２の許容電流量よりも小さくなるように定められており、ここでは第２インピーダンスをＺ_２、分散型電源２の容量をＳ、分散型電源２の定格電圧をＶとした場合に、Ｖ^２／Ｓ≦Ｚ_２を満たすように、第２インピーダンス素子７が選定されている。

然して、本実施形態の制御装置５は、第１開閉スイッチ３及び第２開閉スイッチ６が閉じられている状態において解列信号を受け取ると、第１開閉スイッチ３を開き、その後に第２開閉スイッチ６を開くように構成されている。なお、第２開閉スイッチ６を開くタイミングとしては、例えば第１開閉スイッチ３を開いた後の所定時間経過後などを挙げることができる。

これにより、制御装置５が第１開閉スイッチ３を開いた後は、図２に示すように、第１開閉スイッチ３を流れていた電流が、まずインピーダンスの小さい第２インピーンダンス素子に転流するので、負荷Ｘへの過電圧を抑制することができる。

その後、制御装置５が第２開閉スイッチ６を開くことで、図３に示すように、事故電流をインピーダンスの大きい第１インピーダンス素子４に転流させることができ、商用電力系統１への事故電流をより確実に遮断することができる。

ここで、図４及び図５に示すグラフは、従来構成と本実施形態の電源システム１００とにおいて、系統電圧や負荷電圧の変動を比較したものである。

これらのグラフから看取できるように、従来構成では解列時に負荷Ｘに過電圧が生じているのに対して、本実施形態の電源システム１００では、解列時の負荷Ｘへの過電圧が抑制されている。

このように構成された電源システム１００によれば、第１開閉スイッチ３を開いて負荷Ｘを商用電力系統１から解列しても、分散型電源２は第１インピーダンス素子４や第２インピーダンス素子７を介して商用電力系統１と連系されるので、分散型電源２のＦＲＴ要件を満たすことができる。
そのうえで、第１開閉スイッチ３を開き、その後に第２開閉スイッチ６を開くので、分散型電源２と商用電力系統１との間のインピーダンスを段階的に上げることができ、負荷Ｘへの過電圧を抑制しつつも、商用電力系統１への事故電流をより確実に遮断することができる。

また、第２インピーダンス素子７のインピーダンスＺ_２、分散型電源２の容量Ｓ、分散型電源２の定格電圧Ｖが、Ｖ^２／Ｓ≦Ｚ_２を満たすので、例えば定格負荷電流を２ｐｕ以内に抑えるとともに、第１開閉スイッチ３に流れる電流を１ｐｕ以内に抑えて、分散型電源２の電流出力を２ｐｕ以内に抑制することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、電源システム１００としては、図６に示すように、第１開閉スイッチ３、第１インピーダンス素子４、第２開閉スイッチ６、及び第２インピーダンス素子７に並列接続された第３開閉スイッチ８と、第３開閉スイッチ８に直列接続されるとともに、第１開閉スイッチ３、第１インピーダンス素子４、第２開閉スイッチ６、及び第２インピーダンス素子７に並列接続され、第２インピーダンス素子７よりもさらに小さいインピーダンスの第３インピーダンス素子９をさらに備えていても良い。

そして、かかる構成において、制御装置５が、第１開閉スイッチ３、第２開閉スイッチ６、及び第３開閉スイッチ８が閉じられている状態において解列信号を受け取ると、第１開閉スイッチ３を開き、その後に第３開閉スイッチ８を開き、さらにその後に第２開閉スイッチ６を開くように構成されていても良い。

このような構成であれば、事故電流が流れるインピーダンス素子のインピーダンスをより多段階に切り替えられるので、負荷Ｘへの過電圧をより抑制することができるとともに、商用電力系統１への事故電流をより確実に遮断することができる。
なお、このようにインピーダンスを３段階に切り替えるのみならず、それ以上の多段階に切り替えるように構成しても良い。

さらに、第１インピーダンス素子４や第２インピーダンス素子７は、インピーンダンス可変素子であっても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・電源システム
１・・・商用電力系統
Ｘ・・・負荷
２・・・分散型電源
３・・・第１開閉スイッチ
４・・・第１インピーダンス素子
５・・・制御装置
６・・・第２開閉スイッチ
７・・・第２インピーンダンス素子
８・・・第３開閉スイッチ
９・・・第３インピーンダンス素子

Claims

商用電力系統に接続された分散型電源と、
前記商用電力系統及び前記分散型電源を接続する電力線に設けられた第１開閉スイッチと、
前記第１開閉スイッチに並列接続された第１インピーダンス素子と、
前記第１開閉スイッチ及び前記第１インピーダンス素子に並列接続された第２開閉スイッチと、
前記第２開閉スイッチに直列接続されるとともに、前記第１開閉スイッチ及び前記第１インピーダンス素子に並列接続されており、前記第１インピーダンス素子よりも小さいインピーダンスの第２インピーダンス素子と、
前記第１開閉スイッチ及び前記第２開閉スイッチを開閉する制御装置とを備え、
前記制御装置が、前記第１開閉スイッチ及び前記第２開閉スイッチが閉じられている状態において解列信号を受け取ると、前記第１開閉スイッチを開き、その後に前記第２開閉スイッチを開くことを特徴とする電源システム。
前記第２インピーダンス素子のインピーダンスが、前記分散型電源の容量及び定格電圧に基づいて定められている、請求項１記載の電源システム。
前記第１開閉スイッチが開かれた際に前記第２インピーダンス素子に流れる電流量と前記負荷に流れる電流量とを合計した電流量が、前記分散型電源の許容電流量よりも小さくなるように、前記第２インピーダンス素子のインピーダンスが定められている、請求項２記載の電源システム。
前記第２インピーダンス素子のインピーダンスをＺ_２、前記分散型電源の容量をＳ、前記分散型電源の定格電圧をＶとした場合に、Ｖ^２／Ｓ≦Ｚ_２を満たす、請求項２記載の電源システム。