JP4932736B2 - 電力回収用コンバータ - Google Patents

Description

本発明は，家庭用の自家発電電源システムに係わり、自家発電の出力電力が負荷の消費電力を上回る場合、上回っている電力を余剰電力として蓄積する電力回収用コンバータに関する。

自家発電電源システムは、電力系統と自家発電装置を並列接続して負荷に電力供給するものである。通常、自家発電装置には、化石燃料を使用するエンジン発電装置や太陽光を利用する太陽発電装置等が実用化されている。

しかし、自家発電電源システムでは、電力系統と自家発電装置が連携して負荷に電力供給を行うため、自家発電装置の発電電力が負荷の消費電力を上回った場合に、その余剰電力が電力系統に逆流することが生じる。この場合、その逆流した電力を電力会社が買い取る契約をしていない限り、該余剰電力を系統に流さないようにしなければならない。

この目的のために、自家発電電源システムに電力回収用コンバータを設けている。電力回収用コンバータは、余剰電力を例えば熱変換して湯水として蓄熱するように構成される。このように構成された電力回収用コンバータは、コジェネレーションシステムと呼ばれる。コジェネレーションシステムでは、蓄熱したエネルギーを燃料電池システムに回収したり、熱交換装置に導くことにより他の用途に使われる。

特許文献１に示される電力回収用コンバータは、余剰電力を蓄積する蓄熱部（余剰電力により蓄熱されるヒータを備える）と、系統からの受電電力を検出するセンサ部と、蓄熱部への入力電力を制御するスイッチ回路と、センサ部で検出した受電電力に基づいてスイッチ回路を制御して蓄熱部への入力電力を設定する制御部とを備えている。このように構成された、電力回収用コンバータでは、余剰電力が生じたかどうかをセンサ部により検出することが可能であるから（受電部での逆流の有無検出により）、余剰電力があるときは、スイッチ部を制御することにより余剰電力を蓄熱部に回収することができる。余剰電力を完全に蓄熱部に回収できているときは、系統からの受電電力はゼロとなるから、センサ部の出力もゼロとなっている。したがって、制御部は、センサ部の出力がゼロになっていることを知ることで余剰電力が回収されていることを判断することができる。
特開２００４−９２４５８号公報

ところが、上記の電力回収用コンバータでは、センサ部の出力がゼロとなっている原因が、余剰電力の回収によるものなのか、センサ部の断線によるものなのかを検出することができない。

したがって、センサ部の断線によりセンサ部の出力がゼロと検出されている場合は、制御部は誤った制御を行い、その結果、異常な動作に至る問題がある。

本発明の目的は、センサ部の断線を確実に検出することのできる電力回収用コンバータを提供することにある。

本発明の電力回収用コンバータは、
商用電源系統からの電力を受け取る受電端と、前記受電端の受電端電力と自家発電した自家発電電力とを連携させて負荷に供給する自家発電装置と、電力を蓄電する蓄電装置と、前記自家発電電力が前記負荷の消費電力を超えたときに、その超えた電力である余剰電力が前記蓄電装置に蓄電されるよう前記蓄電装置への入力電力を制御する制御部と、を備えている。

蓄電装置には、例えば、電力を熱に変換して蓄熱する蓄熱装置が使用される。

通常の運転状態では、負荷は受電端電力と自家発電電力とで連携運転される。例えば、負荷の消費電力が１０００Ｗで、自家発電電力が８００Ｗであれば、受電端電力は２００Ｗとなる。この場合、負荷は、２（受電端電力）対８（自家発電電力）の割合で運転される。

負荷の消費電力が自家発電電力よりも小さくなった場合は、余剰電力が発生する。例えば、負荷の消費電力が１０００Ｗから５００Ｗになると、自家発電電力が８００Ｗであるから、３００Ｗが余剰電力となる。余剰電力が生じるため、受電端電力はゼロとなる。制御部は、余剰電力が商用電源系統に逆流しないように、余剰電力を蓄電装置に入力する。

本発明の電力回収用コンバータは、上記の構成において、
前記蓄電装置の電力入力側に設けられ、前記入力電力をスイッチングして前記蓄電装置に入力するスイッチング部と、前記受電端に設けられ前記受電端に流れる電流の大きさを検出するセンサ部と、を備えている。

さらに、本発明の前記制御部は、
前記負荷の消費電力よりも前記自家発電電力が大きいときに、前記センサ部の出力が略ゼロになるよう前記スイッチング部を制御する第１の制御を行い、前記センサ部の出力が略ゼロのときに、前記センサ部の出力が所定の目標受電電力に対応する値となるように前記スイッチング部を制御する第２の制御を行うスイッチング制御手段と、
前記スイッチング制御手段による第２の制御中に、前記センサ部の出力が上昇せずに略ゼロであれば、前記センサ部が異常であると判定するセンサ部判定手段と、
を備えている。

第１の制御では、余剰電力を蓄電装置に入力するためにスイッチング部を制御する。

第２の制御では、前記センサ部の出力が略ゼロとなっている原因が、第１の制御によるものなのか、又は、センサ部の異常（センサ部の断線等を原因とする）によるものなのかを調べるための制御を行う。すなわち、第２の制御では、前記センサ部の出力が略ゼロのときに、前記センサ部の出力が所定の目標受電電力に対応する値となるように前記スイッチング部を制御する。したがって、蓄電装置への入力電力を少し増加するように前記スイッチング部を制御する。その結果、その増加した電力が受電端から入力する。

このとき、センサ部判定手段は、前記センサ部の出力が上昇せずに略ゼロであれば、前記センサ部が異常であると判定する。センサ部判定手段は、前記センサ部の出力が少し上昇すれば、前記センサ部が正常であると判定する。センサ部が正常であれば、再び、第１の制御により、余剰電力の全部が蓄電装置に入力するようにスイッチング部を制御する。

本発明によれば、負荷の消費電力が自家発電電力よりも小さくなった場合に、余剰電力の系統側への逆流を確実に防ぐことができるとともに、その制御に影響を与えることなく、常にセンサ部が異常であるか正常であるかを正しく判断することができる。

本発明の実施形態に係る電力回収用コンバータの構成図である。 制御部の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 電力回収用コンバータ
２ 受電端
５ 自家発電装置
７ 第１の電流変換器（ＣＴ）

図１は、本発明の実施形態である電力回収用コンバータのブロック図である。

図１において、電力回収用コンバータ１の受電端２の受電側には商用電源系統（以下、系統）３が接続されている。受電端２のコンバータ１側には電源供給ライン４が接続されている。電源供給ライン４には、エンジン発電機等の自家発電装置５と負荷６が接続され、系統３と自家発電装置５とで連携運転されて、負荷６に電力が供給される。受電端２には、第１の電流変換器（ＣＴ）７が接続されている。ＣＴ７の出力は、受電端電流検出部８に接続される。受電端電流検出部８では受電端２に流れる電流（受電端電流）を検出する。

受電端電流検出部８で検出した受電端電流値は、制御部９と受電端電力検出部１０とに入力する。

制御部９は、ＣＴ７の断線有無を判定する機能、受電端電力の目標値の信号を生成する機能を備えている。表示器１７は、制御部９でＣＴ７の断線を判定した場合に、その判定結果を表示する。

受電端電力検出部１０は、受電端電流値と受電端２の電圧値に基づいて受電端電力と電流の方向を算出する。この受電端電力の値（電流の方向を示す符号を含む）は目標値設定部１１に出力される。

電力回収用コンバータ１は、余剰電力を熱に変換して蓄積する蓄熱部１２を備えている。蓄熱部１２と電源供給ライン４との間には、第２の電流変換器（ＣＴ）１３とスイッチング回路１４とが接続されている。ＣＴ１３の出力は蓄熱電力検出部１５に入力する。蓄熱電力検出部１５には、上記ＣＴ１３の出力と電源供給ライン４とが接続されていて、それにより、該検出部１５は、蓄熱部１２に蓄熱される（回収される）蓄熱電力の大きさを算出する。

前記蓄熱電力検出部１５の出力と前記目標値設定部１１の出力はスイッチング駆動部１６に入力する。スイッチング駆動部１６は、蓄熱電力検出部１５で算出された蓄熱電力の大きさが、目標値設定部１１で設定された目標値に等しくなるようにスイッチング回路１４を高周波スイッチング駆動する。

なお、スイッチング駆動部１６は、スイッチング回路１４内のスイッチング素子をＰＷＭ制御または周波数制御により高周波スイッチする公知の駆動回路で構成される。

以上の回路構成において、制御部９は、目標値の初期値をゼロに設定する。

これにより、上記電力回収用コンバータ１は次のように動作する。

（１）負荷６の消費電力が自家発電電力よりも大きい場合（状態「Ｓ１」）
この場合、不足電力は系統３から供給される。例えば、負荷６の消費電力が１２００Ｗ、自家発電装置５の最大出力電力が１０００Ｗとすると、不足電力は２００Ｗとなる。この不足電力は系統３から供給される。

受電端電力検出部１０では、受電端電力を２００Ｗとして検出し、目標値設定部１１はこの値を取得する。そこで、目標値設定部１１は、受電端電力がゼロとなるように、取得した受電端電力２００Ｗとゼロとの誤差（マイナス値）を出力する。この誤差はスイッチング駆動部１６に出力され、スイッチング駆動部１６は、蓄熱電力検出部１５で検出した蓄熱電力が上記誤差に対応する大きさとなるようにスイッチング回路１４を駆動する。状態「Ｓ１」は、不足電力が生じている状態であるから、上記誤差は、蓄熱電力をゼロにする方向の値である。したがって、この状態「Ｓ１」では、スイッチング回路１４の完全なオフ状態が維持される。

（２）負荷６の消費電力が自家発電電力よりも小さい場合（状態「Ｓ２」）
この場合、電力回収用コンバータ１内では余剰電力が発生する。例えば、負荷６の消費電力が２００Ｗ、自家発電装置５の定格出力電力が８００Ｗとすると、余剰電力は６００Ｗとなる。スイッチング回路１４は、この余剰電力が全部蓄熱部１２に入力するようスイッチング動作する。すなわち、目標値設定部１１は、受電端電力がゼロとなるように（余剰電力６００Ｗが系統３側に逆流しないように）、取得した受電端電力６００Ｗとゼロとの誤差（プラス値）を出力する。この誤差はスイッチング駆動部１６に出力され、スイッチング駆動部１６は、蓄熱電力検出部１５で検出した蓄熱電力が上記誤差に対応する大きさとなるようにスイッチング回路１４を駆動する（第１の制御）。状態「Ｓ２」は、余剰電力が生じている状態であるから、上記誤差は、蓄熱電力を増やす方向の値である。したがって、この状態「Ｓ２」では、スイッチング回路１４のオンオフ制御が行われる。

（３）ＣＴ監視動作
電力回収用コンバータ１の制御部９は、定期的にＣＴ７の断線を原因とする異常有無を検出する。

制御部９は、受電端電流検出部８で検出した受電端電流がゼロ（略ゼロを含む）であることを検出すると、その原因がＣＴ７の断線によるものなのか、上記状態「Ｓ２」の制御によるものなのかを判定する。その判定のために、目標値設定部１１に設定する目標値を一定値である２０Ｗにするための信号を目標値設定部１１に出力する。この目標値は、系統３から入力する受電電力の目標値である。これにより、目標値設定部１１が設定する目標値はゼロから２０Ｗに変更される。すると、スイッチング駆動部１６は、蓄熱部１２に蓄熱される余剰電力が２０Ｗ増えるようにスイッチング回路１４を駆動する（第２の制御）。このとき、もし、ＣＴ７が断線していなければ、受電端電流検出部８で検出する受電端電流は、ゼロレベルから、２０Ｗに対応するレベルだけ上昇する。

一方、ＣＴ７が断線していれば、受電端電流検出部８で検出する受電端電流は、ゼロのままである。

そこで、制御部９は、受電端電流検出部８で検出する受電端電流がゼロレベルから少し上昇しているか、又は、ゼロを維持しているかを判断することにより、ＣＴ７の断線有無を判定する（センサ部判定手段）。

制御部９は、ＣＴ７が正常（断線していない）であると判定した場合は、目標値設定部１１に設定する目標値を２０Ｗからゼロにするための信号を目標値設定部１１に出力する。制御部９は、ＣＴ７が異常（断線している）であると判定した場合は、エラー処理（報知など）を行う。

なお、上記目標値２０Ｗは、自家発電装置５の定格出力に対して十分に小さな大きさである。また、ＣＴ７が正常である場合、目標値が２０Ｗからゼロに戻されるまでの時間は極めて短い。したがって、ＣＴ７の監視のための制御は、受電端電力をゼロにするための全体の制御にほとんど影響を及ぼすことはない。

制御部９は、以上のＣＴ監視動作を、例えば、１０ｍｓｅｃ毎に実行する。

図２は、制御部９の具体的な動作を示すフローチャートである。

ＣＴ監視動作に入ると、受電端電流がゼロかどうか判定を行う（ＳＴ１）。ゼロとは、誤差及び回路内の消費電力（例えば、スイッチング回路１４での消費電力）を含むように解釈される大きさである。ゼロでなければ、不足電力が系統１から受電されていると判定して処理を終える。また、ＣＴ７も正常であると判定する。

受電端電流がゼロであれば、その原因が、ＣＴ７の断線によるものなのか、上記状態「Ｓ２」の制御によるものなのかを判定する。

最初に、上記目標値を２０Ｗに設定する（ＳＴ２）。次に、受電端電流がゼロを超えたかどうかを判定する（ＳＴ３）。受電端電流がゼロを超えていれば、ＣＴ７が正常であると判定して処理を終える。受電端電流がゼロを維持していれば、その状態が一定時間持続しているかどうかを判定し（ＳＴ５）、持続していれば、ＣＴ７が断線していると判定する（ＳＴ６）。この後、処理は、図示しないアラーム処理へ進む。アラーム処理では、断線したことが表示器１７で表示される。受電端電流がゼロである状態が一定時間持続していなければ、受電端電流がゼロを超えると判断したことがノイズ等を原因とした誤判断である可能性があるため、処理を終える。

制御部９は、図２に示す処理を１０ｍｓｅｃ毎に繰り返し実行している。一方、スイッチング駆動部１６は、目標値設定部１１から出力される誤差に基づいて、受電端電力が目標値になるように常にスイッチング回路１４を制御している。また、上記目標値２０Ｗは、自家発電装置５の定格出力に対して十分に小さな大きさである。また、ＣＴ７が正常である場合、目標値が２０Ｗからゼロに戻されるまでの時間は極めて短い。したがって、ＣＴ７の監視のための制御は、受電端電力をゼロにするための全体の制御にほとんど影響を及ぼすことはない。

この発明は、家庭用又は工場用のコジェネレータシステムに適用可能である。

Claims (3)

1. 商用電源系統からの電力を受け取る受電端と、前記受電端の受電端電力と自家発電した自家発電電力とを連携させて負荷に供給する自家発電装置と、電力を蓄電する蓄電装置と、前記自家発電電力が前記負荷の消費電力を超えたときに、その超えた電力である余剰電力が前記蓄電装置に蓄電されるよう前記蓄電装置への入力電力を制御する制御部と、を備える電力回収用コンバータにおいて、
   前記蓄電装置の電力入力側に設けられ、前記入力電力をスイッチングして前記蓄電装置に入力するスイッチング部と、
   前記受電端に設けられ前記受電端に流れる電流の大きさを検出するセンサ部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記自家発電装置により前記受電端の受電端電力と自家発電した自家発電電力とを連携させて負荷に供給している運転状態において、前記負荷の消費電力よりも前記自家発電電力が大きいときに、前記センサ部の出力がゼロになるよう前記スイッチング部を制御する第１の制御を行い、前記センサ部の出力がゼロのときに、前記センサ部の出力が所定の目標受電電力に対応する値となって該目標受電電力に対応する入力電力が前記蓄電装置に蓄電されるように前記スイッチング部を制御する第２の制御を行うスイッチング制御手段と、
   前記スイッチング制御手段による第２の制御中に、前記センサ部の出力が上昇せずにゼロであれば、前記センサ部が異常であると判定するセンサ部判定手段と、
   を備えてなる電力回収用コンバータ。
2. 前記スイッチング部は、高周波でスイッチングするスイッチング素子と、これらのスイッチング素子をＰＷＭ駆動するスイッチング駆動部とを含む、請求項１記載の電力回収用コンバータ。
3. 前記蓄電装置は、電力を熱に変換する蓄熱装置である請求項１又は２に記載の電力回収用コンバータ。

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