JP2022038059A - 電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】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満たす低コストな電源システム。【解決手段】商用電力系統１０と重要負荷との間に設けられ、重要負荷に電力を供給する電源システム１００であって、電力線Ｌ１に接続された分散型電源２と、電力線において分散型電源よりも商用電力系統側に設けられ、電力線を開閉する機械式スイッチ３と、商用電力系統の瞬時電圧低下又は周波数変動が検出された場合には、機械式スイッチを開放し、分散型電源と商用電力系統とがコンデンサ４１を介して接続された状態で分散型電源が運転を継続する。コンデンサの静電容量Ｃは、以下の（１）式を満足する。Ｃ×（Ｖ／Ｔ）＞ｉＳＷ（１）、Ｖは商用電力系統の定格電圧、Ｔは機械式スイッチを開放開始してから、機械式スイッチの両端電圧の変化量が安定するまでの時間である過渡時間、ｉＳＷは機械式スイッチの開放時に機械式スイッチに流れる遮断電流である。【選択図】図１

Description

本発明は、電源システムに関するものである。

従来、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共通の分散型電源を用いて両立する電源システムとして、特許文献１に示すものが考えられている。

特許文献１の電源システムは、商用電力系統と重要負荷との間に、半導体スイッチと、当該半導体スイッチに並列接続されたインピーダンス素子とを設け、半導体スイッチよりも重要負荷側に分散型電源を設けて構成されている。また、半導体スイッチよりも商用電力系統側に解列スイッチが設けられている。この電源システムは、商用電力系統に瞬時電圧低下又は周波数変動が発生した場合には、半導体スイッチを開放することにより、インピーダンス素子を介して商用電力系統と分散型電源を接続するとともに、分散型電源は逆潮流を含む運転を継続する（ＦＲＴ運転）。一方、商用電力系統に停電が発生した場合には、一定時間（例えば２秒間）瞬時電圧低下と認識してＦＲＴ運転をした後に、停電と認識して更に解列スイッチを開放して、分散型電源を自立運転させる。これにより、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共通の分散型電源を用いて両立させるようにしている。

特許第６３３８１３１号公報

しかしながら、上記した電源システムは、高価な半導体スイッチにより電力線の開閉を切り替えるので、システムのコストが増大してしまう。

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、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共通の分散型電源を用いて両立する電源システムを低コストで提供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、商用電力系統と重要負荷との間に設けられ、前記重要負荷に電力を供給する電源システムであって、前記商用電力系統から前記重要負荷に給電するための電力線に接続された分散型電源と、前記電力線において前記分散型電源よりも前記商用電力系統側に設けられ、前記電力線を開閉する機械式スイッチと、前記電力線において前記機械式スイッチに並列接続されたコンデンサと、前記機械式スイッチよりも前記商用電力系統側の電圧を検出する系統側電圧検出部と、前記系統側電圧検出部の検出電圧から少なくとも瞬時電圧低下及び周波数変動を検出する系統異常検出部と、前記分散型電源による給電を制御する制御部とを備え、前記系統異常検出部により瞬時電圧低下又は周波数変動が検出された場合には、前記制御部が、前記機械式スイッチを開放し、前記分散型電源と前記商用電力系統とが前記コンデンサを介して接続された状態で、前記分散型電源が運転を継続するものであり、前記コンデンサは、その静電容量Ｃが以下の（１）式を満足するものであることを特徴とする。
Ｃ×（Ｖ／Ｔ）＞ｉ_ＳＷ （１）
ここで、Ｖは前記商用電力系統の定格電圧、Ｔは前記機械式スイッチの開放を開始してから、当該機械式スイッチの両端電圧の変化量が安定するまでの時間である過渡時間、ｉ_ＳＷは前記機械式スイッチの開放時に前記機械式スイッチに流れる遮断電流である。

このような電源システムであれば、電力線において分散型電源よりも商用電力系統側に機械式スイッチを設けるとともに、機械式スイッチに対してコンデンサを並列接続しており、系統異常検出部により瞬時電圧低下又は周波数変動が検出された場合には、機械式スイッチを開放し、分散型電源と商用電力系統とが前記コンデンサを介して連系された状態となる。これにより、分散型電源のＦＲＴ要件を満たしつつ、瞬低時における重要負荷への電圧低下を防止することができる。ここで前記コンデンサは、そのインピーダンスが機械式スイッチのアーク抵抗よりも小さくなるようにしているので、機械式スイッチの開放時にアークを生じさせることなくコンデンサに転流及び限流させることができるので、機械式スイッチをゼロ点関係なく高速に遮断することができる。これにより、電力線の電圧階級が高くても、高価な半導体スイッチを安価な機械式スイッチで代用することができる。その結果、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共通の分散型電源を用いて両立できる電源システムを低コストで提供することができる。

前記電源システムは、前記電力線において前記分散型電源よりも前記商用電力系統側に設けられた解列スイッチを更に備え、前記系統異常検出部が、前記系統側電圧検出部の検出電圧から停電を更に検出するように構成されており、前記系統異常検出部により停電が検出された場合に、前記制御部は、前記解列スイッチを開放し、前記分散型電源を自立運転させることが好ましい。

このように構成した本発明によれば、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共通の分散型電源を用いて両立する電源システムを低コストで提供することができる。

本実施形態の電源システムの構成を示す模式図である。 転流回路がない場合における電流遮断時の動作波形の一例を示すグラフである。 本実施形態の電源システムの動作状態を示す図である。 他の実施形態の電源システムの構成を示す模式図である。

以下に、本発明の実施形態に係る電源システム１００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１０と重要負荷３０との間に設けられ、商用電力系統１０の異常時に重要負荷３０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１０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１０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、重要負荷３０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負荷であり、図１では１つであるが、複数あってもよい。

具体的に電源システム１００は、分散型電源２と、商用電力系統１０と分散型電源２及び重要負荷３０とを接続する開閉スイッチ３と、開閉スイッチ３に並列接続された転流回路４と、開閉スイッチ３よりも商用電力系統１０側に設けられた解列スイッチ６と、開閉スイッチ３よりも商用電力系統１０側の電圧を検出する系統側電圧検出部７と、系統側電圧検出部７の検出電圧から少なくとも瞬時電圧低下、周波数変動及び停電を検出する系統異常検出部８と、分散型電源２による給電を制御する制御部９とを備えている。

分散型電源２は、商用電力系統１０から重要負荷３０に給電するための電力線Ｌ１に接続されている。この分散型電源２は、商用電力系統１０に連系されるものであり、例えば太陽光発電や燃料電池などの直流発電設備２１、二次電池（蓄電池）などの電力貯蔵装置（蓄電デバイス）２２、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（不図示）、又は、同期発電機や誘導発電機などの交流発電設備２３である。直流発電設備２１及び電力貯蔵装置（蓄電デバイス）２２は、図示しない電力変換装置を備えている。なお、電源システム１００は、少なくとも電力貯蔵装置２２を備えており、その他上記何れか分散型電源２を有するものであってもよい。

開閉スイッチ３は、電力線Ｌ１において分散型電源２の接続点よりも商用電力系統１０側に設けられて電力線Ｌ１を開閉するものであり、具体的には機械式スイッチ（以下、機械式スイッチ３ともいう）である。この機械式スイッチ３は、制御部９から送信される信号に応じて、所定の開極時間で開閉駆動されるように構成されている。

転流回路４は、機械式スイッチ３を開放した際に電流が流れ込む（転流）ように構成され、これを限流させるものである。具体的にこの転流回路４は、機械式スイッチ３に対して並列接続され、互いに直列接続されているコンデンサ４１と抵抗素子４２とを備える。コンデンサ４１は、具体的には例えばフィルムコンデンサ等である。

コンデンサ４１は、機械式スイッチ３を開放した際に、機械式スイッチ３に流れる電流を、アークを生じさせることなく瞬時に転流回路４に転流させ、機械式スイッチ３をゼロ点関係なく高速に遮断できるようにその静電容量Ｃが定められている。

ここで、電源システム１００が転流回路４を備えておらず、機械式スイッチ３を開放してアークが発生した時の動作波形の一例を図２に示す。本実施形態の電源システム１００において、機械式スイッチ３を開放時にアークを生じさせることなく転流回路４に電流を転流させるには、転流回路４の抵抗が図２に示すアーク抵抗Ｒ_ａｒｋの最小値（遮断電流ｉ_ｓｗが最大時）よりも小さくなるように、抵抗４２を決定する必要がある。

本実施形態のコンデンサ４１をより具体的に説明すると、商用電力系統１０の定格電圧をＶ、機械式スイッチ３の開放（又は開極）を開始してから、当該機械式スイッチ３の両端電圧の変化量が安定するまでの時間（過渡時間ともいう）をＴ、機械式スイッチ３の開放時に流れる遮断電流（最大時）をｉ_ＳＷとして、以下の（１）式を満たすようにコンデンサ４１を構成している。また各パラメータの誤差を考慮すると、余裕をもって（１）’式を満たすようにコンデンサ４１を構成するのが好ましい。
Ｃ×（Ｖ／Ｔ）＞ｉ_ＳＷ （１）
Ｃ×（Ｖ／Ｔ）＞１．３×ｉ_ＳＷ （１）’

上記（１）式の意味を説明する。コンデンサ４１に流れる電流をｉ_ｃ、コンデンサ４１に印加される電位差をｄｖ／ｄｔとすると、当該電流ｉ_ｃは下記（２）式で表すことができる。
ｉ_ｃ＝Ｃ×（ｄｖ／ｄｔ） （２）
機械式スイッチ３が閉じた状態では、電流はその殆どが低インピーダンスであるスイッチを介して流れるため、ｉ_ｃ≒０となり、すなわちコンデンサ４１に印加される電位差ｄｖ／ｄｔ≒０、となっている。機械式スイッチ３を開放した瞬間、機械式スイッチ３の端子間の電圧変化によって、コンデンサ４１に流れる電流ｉ_ｃが大きくなる。このとき、アークを生じさせさせることなく転流回路４への転流を完了できると仮定すれば、機械式スイッチ３を開放した瞬間にスイッチの端子間が回路の定格電圧まで上昇するといえる。従ってこの場合、（２）式のｄｖ／ｄｔは、“定格電圧Ｖ／スイッチの過渡時間Ｔ”となり、コンデンサ４１に流れる電流ｉ_ｃは、（３）式となる。
ｉ_ｃ＝Ｃ×（Ｖ／Ｔ） （３）

（３）式から、過渡時間Ｔがより長い場合でもコンデンサ４１に流れる電流ｉ_ｃを維持するためには、（過渡時間Ｔの長さに比例した）より大きなＣが必要であることがわかる。（３）式において、このことを「右辺の過渡時間Ｔの値を変えずに計算して算出される左辺のコンデンサ４１に流れる電流ｉ_ｃ」と機械式スイッチ３の遮断電流ｉ_ＳＷとの関係で述べると、以下となる。機械式スイッチ３を開放時に、アークを生じさせることなく遮断電流を転流回路４に転流させるためには、コンデンサ４１に流れる電流ｉ_ｃと、機械式スイッチ３の遮断電流ｉ_ＳＷとが以下の（４）式を満たすようにする必要がある。
ｉ_ｃ＞ｉ_ＳＷ （４）
当該（４）式に上記（２）式を当てはめることにより、上記（１）式が導かれる。

解列スイッチ６は、電力線Ｌ１において分散型電源２よりも（ここでは機械式スイッチ３よりも）商用電力系統１０側に設けられており、例えば機械式スイッチである。この解列スイッチ６は、制御部９により開閉制御される。

系統側電圧検出部７は、電力線Ｌ１において機械式スイッチ３よりも商用電力系統１０側の電圧を、計器用変圧器を介して検出するものである。具体的に系統側電圧検出部７は、機械式スイッチ３及び転流回路４からなる並列回路よりも商用電力系統１０側に計器用変圧器を介して接続されている。

系統異常検出部８は、系統側電圧検出部７により検出された検出電圧と、予め定められた整定値とを比較して、前記検出電圧が整定値以下である場合に、瞬時電圧低下を検出する。また、系統異常検出部８は、系統側電圧検出部７により検出された検出電圧から周波数変動（周波数上昇（ＯＦ）、周波数低下（ＵＦ））を検出する。なお、この周波数変動は、例えばステップ上昇や、ランプ上昇・下降である。さらに、系統異常検出部８は、系統側電圧検出部７により検出された検出電圧から停電を検出する。その他、系統異常検出部８は、瞬時電圧低下、周波数変動及び停電に加えて、電圧上昇、位相変動、電圧不平衡、高調波異常又はフリッカの少なくとも１つを検出してもよい。

制御部９は、電源システム１００が備える各機器の運転／停止、開放／閉止等を制御するものである。この制御部９は、系統異常検出部８からの信号に応じて、（１）正常時モード、（２）瞬低時・周波数変動時モード、（３）停電時モードの複数の制御モードを取るように構成されている。以下に、各制御モードについて説明する。

（１）正常時モード
系統異常検出部８により系統異常が検出されていない場合、制御部９は機械式スイッチ３及び解列スイッチ６を閉じている。この場合、分散型電源２及び重要負荷３０は機械式スイッチ３を介して商用電力系統１０に接続されている。転流回路４は機械式スイッチ３に並列接続されているが、機械式スイッチ３のインピーダンスは転流回路４のインピーダンスよりも小さいため、商用電力系統１０と分散型電源２及び重要負荷３０とは、機械式スイッチ３側で電力をやり取りする。分散型電源２による逆潮流によって、ピークカット・ピークオフを実現することができる。

（２）瞬低時・周波数変動時モード
制御部９は、図３（ａ）に示すように、系統異常検出部８により瞬時電圧低下又は周波数変動が検出された場合、機械式スイッチ３を開放する。そして、商用電力系統１０と分散型電源２及び重要負荷３０とを転流回路４を介して接続された状態として、分散型電源２による運転を継続し、重要負荷３０の電圧・周波数が安定するように充放電させ、潮流バランスを調整する。なお、系統異常検出部８により系統異常が復帰したことが検出されると、制御部９は機械式スイッチ３を再投入する。

（３）停電時モード
また制御部９は、図３（ｂ）に示すように、系統異常検出部８により停電が検出された場合には、解列スイッチ６を開放するとともに分散型電源２を自立運転させる。

具体的に制御部９は、系統側電圧検出部７の検出電圧が所定の解列条件を満たす場合に解列スイッチ６を開放する。ここで、所定の解列条件は、系統電圧の電圧低下（検出電圧が前記整定値以下となっている状態）の継続時間が所定値以上（瞬低継続時間よりも長い時間）となることである。つまり、所定の解列条件を満たすまでは、瞬時電圧低下と認識して、制御部９は機械式スイッチ３を開放し、分散型電源２は、ＦＲＴ運転をする。そして、所定の解列条件を満たすと、制御部９は解列スイッチ６を開放し、解列スイッチ６が開放された状態で、分散型電源２は自立運転モードとなり重要負荷３０に給電する。このように分散型電源２は、正常時の連系運転からＦＲＴ運転をした後に自立運転になる。なお、解列スイッチ６を開放する時には、機械式スイッチ３は既に解放されているので、解列スイッチ６の開放による過電流は転流回路４によって限流される。なお、制御部９は、系統側電圧検出部７の検出電圧が所定の解列条件を解消した場合に解列スイッチ６を投入する。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態の電源システム１００によれば、電力線Ｌ１において分散型電源２よりも商用電力系統１０側に機械式スイッチ３を設けるとともに、機械式スイッチ３に対してコンデンサ４１を並列接続しており、系統異常検出部８により瞬時電圧低下又は周波数変動が検出された場合には、機械式スイッチ３を開放し、分散型電源２と商用電力系統１０とが前記コンデンサ４１を介して連系された状態となる。これにより、分散型電源２のＦＲＴ要件を満たしつつ、瞬低時における重要負荷３０への電圧低下を防止することができる。ここで、前記コンデンサ４１は、転流回路４のインピーダンスが機械式スイッチ３のアーク抵抗よりも小さくなるようにしているので、機械式スイッチ３の開放時に、アークを生じさせることなく転流回路４に電流を転流させ、これを限流させることができる。これにより、電力線Ｌ１の電圧階級が高くても、高価な半導体スイッチを安価な機械式スイッチ３に代替することができる。その結果、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共通の分散型電源２を用いて両立できる電源システム１００を低コストで提供することができる。

＜その他の変形実施形態＞
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、転流回路４は、直列接続されたコンデンサ４１と抵抗素子４２の両方を含んでいなくてもよく、コンデンサ４１のみを含んでいてもよい。

他の実施形態の電源システム１００は、図４に示すように、機械式スイッチ３及び転流回路４に対して並列接続された自己放電回路５を備えてもよい。このようにすれば、機械式スイッチ３と転流回路４により限流遮断した後、転流回路４のコンデンサ４１に残留する電荷を、自己放電回路５により放電することができる。自己放電回路５は、例えば、機械式スイッチ３及び転流回路４に対して並列接続され、互いに直列接続された抵抗素子５１及び開閉スイッチ５２等が挙げられる。この場合、自己放電回路５に含まれる開閉スイッチ５２は、機械式スイッチ３が開放している状態でのみ投入するようにする。自己放電回路５は、開閉スイッチ５２を含まなくてもよいが、その場合、自己放電回路５の抵抗値は、少なくとも機械式スイッチ３の通電抵抗よりも大きい値となるように構成する。

解列スイッチ６は、電力線Ｌ１において機械式スイッチ３よりも商用電力系統１０側に設けられていたが、これに限らず、機械式スイッチ３よりも分散型電源２側に設けられてもよく、その両方に設けられていてもよい。

さらに、前記実施形態の系統側電圧検出部７は、系統連系用保護装置が備えるものであってもよい。系統連系規程に定められた系統連系用保護装置としては、例えば過電圧継電器（ＯＶＲ）、不足電圧継電器（ＵＶＲ）、短絡方向継電器（ＤＳＲ）、地絡過電圧継電器（ＯＶＧＲ）、過周波数継電器（ＯＦＲ）、不足周波数継電器（ＵＦＲ）、転送遮断装置等を挙げることができる。この場合、制御部９は、何れか１つの連係保護機器が動作した場合に、解列スイッチ６を開放することが考えられる。この構成であれば、連係保護機器が備える電圧検出部を用いているので、別途系統側電圧検出部７を設ける必要がなく、装置構成を簡単にすることができる。

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
１０ ・・・商用電力系統
３０ ・・・重要負荷
Ｌ１ ・・・電力線
２ ・・・分散型電源
３ ・・・機械式スイッチ
４１ ・・・コンデンサ
７ ・・・系統側電圧検出部
８ ・・・系統異常検出部
９ ・・・制御部

Claims (2)

1. 商用電力系統と重要負荷との間に設けられ、前記重要負荷に電力を供給する電源システムであって、
   前記商用電力系統から前記重要負荷に給電するための電力線に接続された分散型電源と、
   前記電力線において前記分散型電源よりも前記商用電力系統側に設けられ、前記電力線を開閉する機械式スイッチと、
   前記電力線において前記機械式スイッチに並列接続されたコンデンサと、
   前記機械式スイッチよりも前記商用電力系統側の電圧を検出する系統側電圧検出部と、
   前記系統側電圧検出部の検出電圧から少なくとも瞬時電圧低下及び周波数変動を検出する系統異常検出部と、
   前記分散型電源による給電を制御する制御部とを備え、
   前記系統異常検出部により瞬時電圧低下又は周波数変動が検出された場合には、前記制御部が、前記機械式スイッチを開放し、前記分散型電源と前記商用電力系統とが前記コンデンサを介して接続された状態で、前記分散型電源が運転を継続するものであり、
   前記コンデンサは、その静電容量Ｃが以下の（１）式を満足するものである電源システム。
   Ｃ×（Ｖ／Ｔ）＞ｉ_ＳＷ （１）
   ここで、Ｖは前記商用電力系統の定格電圧、Ｔは前記機械式スイッチの開放を開始してから、当該機械式スイッチの両端電圧の変化量が安定するまでの時間である過渡時間、ｉ_ＳＷは前記機械式スイッチの開放時に前記機械式スイッチに流れる遮断電流である。
2. 前記電力線において前記分散型電源よりも前記商用電力系統側に設けられた解列スイッチを更に備え、
   前記系統異常検出部が、前記系統側電圧検出部の検出電圧から停電を更に検出するように構成されており、
   前記系統異常検出部により停電が検出された場合に、前記制御部は、前記解列スイッチを開放し、前記分散型電源を自立運転させる請求項１に記載の電源システム。

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