JP5019399B2 - 住宅電気エネルギー管理システム - Google Patents

Description

本発明は単相３線式１００Ｖ／２００Ｖ商電系統から受電する住宅における二次電池組み込みによる住宅エネルギー管理システムに関するものである。

商用電源の電力料金は、電力使用量と契約容量・契約電力によって決定されるのが一般的である。契約容量・契約電力は、使用する電気機器の総容量をもとに算定する負荷設備契約と、施設される主開閉器の容量にもとづき算定する主開閉器契約があり、いずれも使用電力の最大値を規定するものであり、それを超えると通常はブレーカ等により電力の供給が遮断される。

このため、電力の遮断を引起こさないようにするためには、稀にしか発生しない消費電力の過度的なピークに合わせて契約電力を決定する必要がある。このため使用電力が少ない時間に二次電池に電力を蓄電しておき、消費電力の過度的なピーク時に蓄電した電力を放電することにより、ブレーカによる電力遮断を避ける受電電力のピークカット（電力平準化）の技術が導入される事例があり、商用単相１００Ｖ電源において、夜間電力を貯蔵し、昼間の電力ピークカットに利用する技術は開示されている。

現状での商用電源電力系統は、エコ給湯器及びＩＨの普及により、一般住宅でも電圧２００Ｖ電源が必要となっている。このため夜間電力が使える電力系統の単相３線式１００／２００Ｖによる契約を実施する住宅が多い。ある調査例では、人口２５万地方都市での夜間電力契約数は１１万２０００戸数が実施され、一般契約の夜間電力不含の１００Ｖ電源系統は５万３０００戸数となっている。これにより、単相商用１００Ｖ電源において、夜間電力を貯蔵し、昼間の電力ピークカットに利用する技術の開示は極わずかな住宅戸数でしか実施できない現状がある。

近年では、自然エネルギー電力として、太陽光発電で発生した電力を一般住宅電力系統に連系させる事例が多くなっている。これらの電力は発電した瞬間でしか住宅での使用ができないため、住宅内で消費される電力を上回る場合は余剰電力として、各電力会社と買電契約を交わし売電している。しかし、太陽光による発電は日照の強さに左右され、電気の周波数が安定しない課題がある。また、住宅の太陽光発電で余った電気が送電網に逆流して電圧が上がる恐れもあるため、自然エネルギーの一般住宅での受け入れ拡大には課題がある。

特開平６−２３３４６３号公報 特開２００１−２９８８６４号公報 特許２００２−２２４５１３号 特許第３４８４６２１号 特許第３７５８９８６号 特開２００１−２５８１５８号公報 特開２００３−２７４５６３号公報 特開２００７−２０２６０号公報

しかしながら、上記の特許文献では、単相１００Ｖの商用電源系統（分類上は“電灯”）に関する記載と、３相２００Ｖの商用電源系統（分類上は“低電力”）に関する記載のみである。住宅に使用される単相３線式１００／２００Ｖの商用電源系統は、“３線式”と呼ばれる分類に属し、単相１００Ｖ商用電源とは分類が異なる。上記背景技術に対する、単相３線式１００／２００Ｖの商用電源系統については触れられていない。発明が解決する課題は、単相３線式１００／２００Ｖの商用電源系統にピークカットを考慮している。

また、上記の特許文献１〜８では、単相１００Ｖ商用電源系統の夜間電力を二次電池に充電及び、放電に関する記載のみである。近年の住宅に使用される夜間電力は単相３線式１００／２００Ｖの商用電源系統が主流である。また、自然エネルギーの太陽光発電で発生した電力は、一般住宅分電盤への連系が目的となっている。しかし上記背景技術に対する、単相３線式１００／２００Ｖ電源系統の夜間電力については触れられていない。及び、自然エネルギーの太陽光発電電力の一般住宅での受け入れ拡大による課題についても触れられていない。発明が解決する課題は、単相３線式１００／２００Ｖ商用電源系統での夜間電力の活用及び、自然エネルギーの太陽光発電の余剰電力は、二次電池側に充電が可能なシステムを考慮している。

本発明の目的は、単相３線式１００／２００Ｖの商用電源系統から受電する住宅等において、夜間電力時間帯に二次電池に電力を蓄電しておき、昼間での消費電力のピーク時間帯に蓄電した電力を,同じ受電系統に放電を行うことによる電力ピークカットを実現し、蓄電用二次電池には電気自動車向け搭載モジュール同一仕様品を適用することもできる。
これにより、設備品コスト低減と、契約電力を低減できる住宅電気エネルギー管理システムを提供することにある。及び、自然エネルギーの太陽光発電設備を備えている住宅については、太陽光発電の余剰電力は、二次電池側へ充放電連系を可能とした住宅電気エネルギー管理システムを提供することにある。

請求項１の発明に係る住宅電気エネルギー管理システムは、電力を貯蔵する機能を持つ蓄電手段と、この蓄電手段に蓄えた電力を必要時に放電する電力貯蔵システムにおいて、単相３線式１００／２００Ｖの商用受電系統からの電力により蓄電手段に充電する機能を持つ二次電池１充電用への電力変換装置３とその力率制御装置６−１及び充電電圧制御装置６−２を備え、この蓄電手段に蓄えた電力を同じ受電系統の単相３線式１００／２００Ｖの商用電源Ｓ系統に連系放電によって給電する機能を持つ住宅負荷用への電力変換装置４とその放電制御装置７を備え、蓄電池用二次電池には電気自動車向け搭載モジュール同一仕様品も適用可能としている。

また、単相３線式１００／２００Ｖの商用電源Ｓ系統から受電する住宅等において、夜間電力時間帯に住宅分電盤２の負荷側単相２００Ｖの電源を二次電池充電用への電力変換装置３を介して蓄電手段に充電を行い、昼間での消費電力のピーク時間帯に、蓄電手段に蓄えられた電力を、住宅負荷用への電力変換装置４を介して、同じ受電系統住宅分電盤負荷側の単相３線式１００／２００Ｖに連系放電による給電を行うことによる電力ピークカットを実現する機能を備えている。

また、前記単相３線式１００／２００Ｖ商用電源Ｓ系統からの受電電力を検出する手段と、この受電電力検出手段の出力に応じて前記住宅負荷用への電力変換装置４を起動させる手段としての放電制御装置７を備えている。

また、前記二次電池充電用への電力変換装置３を起動させる手段としての力率制御装置６−１及び充電電圧制御装置６−２を備えている。

更に、該力率制御装置６−１或いは充電圧制御装置６−２の内部時計及び二次電池の充電状態の電力状況からなる評価関数に従い、前記二次電池充電用への電力変換装置３を駆動させるための信号を出力する機能を備え、二次電池充電用への電力変換装置３及び住宅負荷用への電力変換装置４が、高圧充放電の電気自動車への二次電池仕様にも対応可能であり、また前記二次電池充電用への電力変換装置は昇圧機能を備えている。

本発明に係る、この住宅電気エネルギー管理システムは、電力を貯蔵する機能を持つ蓄電手段には、電気自動車搭載の二次電池モジュール同一仕様品を活用することも出来る。これは、蓄電手段の設備据付工数、及び、電池価格等の低減を図ることにある。また、高圧充放電の二次電池仕様にも対応可能な二次電池充電用への電力変換装置及び住宅負荷用への電力変換装置を備えている。

なお、本発明に係る住宅電気エネルギー管理システムにおいて、電気自動車を所有する住宅においては、高圧充放電の二次電池仕様にも対応可能な二次電池充電用への電力変換装置及び住宅負荷用への電力変換装置を備え、住宅側商用夜間電力を電気自動車側二次電池へ充電を行うことが出来るし、電気自動車側二次電池電力を住宅側商用電源系統側に連系放電による給電する事も可能とした二次電池充電用への電力変換装置及び住宅負荷用への電力変換装置を備えさせることも出来る。

また、本発明に係る住宅電気エネルギー管理システムは、上記の発明において、畜電手段に蓄えている電力は、放電と共に電圧低下するため、蓄電手段の蓄電状態の電力状況の評価を行い、その評価において、ある特定電圧値以上の場合には降圧を行い、また、ある特定電圧以下の場合は昇圧を行うことができる二次電池充電用への電力変換装置及び住宅負荷用への電力変換装置を備えている。

なお、上記の発明においては、単相３線式１００／２００Ｖの商用電源系統から受電する住宅での深夜電力契約種類において、一日２４時間周期の電力料金時間帯区分の電力会社設定があり、この一日周期時間帯区分に追従して、電力料金が安価となる深夜電力時間帯に充電手段の二次電池へ充電を行い、また、電力料金が割高となる時間帯に放電を行い、また、充電電力は住宅分電盤負荷側単相２００Ｖとし、放電電力は単相３線式１００／２００Ｖに変換して、同じ住宅分電盤負荷側へ連系放電による給電を行うなど、電力各社の電力料金時間帯区分一日周期に沿って行ない、高圧充放電の二次電池仕様にも適用可能な、二次電池充電用への電力変換装置及び住宅負荷用への電力変換装置を備えることができる。

したがって、本発明の構成により、住宅等における単相３線式１００／２００Ｖ商用系統の電力ピークカットが夜間電力活用により安価に行うことができ、かつ、契約電力の算定縮小が可能な住宅電気エネルギー管理システムを実現できる。社会的には、昼夜電力使用量の平滑化でＣＯ２削減となり、住宅内での、温室効果ガス削減が実現できる。

本発明のその他の目的及び特徴は実施例の説明で明らかにするとする。

本発明によるシステムは、単相１００／２００Ｖ商用系統から受電する住宅等において、夜間電力時間帯に蓄電した電力を同じ受電系統の単相３線式１００／２００Ｖ商用系統側に放電することにより、安価な電力ピークカットを実現し、契約電力の算定が低減できる住宅電気エネルギー管理システムを提供することができる。

図１は本発明の実施例による住宅電気エネルギー管理システムの構成図。（実施例１） 本発明の実施例における制御装置６−１及び６−２のフロー図。（実施例２） 本発明の実施例における制御装置７のフロー図。(実施例３) 本発明の実施例における二次電池充電用への電力変換装置及び住宅負荷用への電力変換装置３，４の構成回路図。（実施例４）

本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施例による住宅電気エネルギー管理システムの構成図である。蓄電手段として二次電池１を備え、単相３線式１００／２００Ｖ商用電源Ｓは住宅分電盤２で受電し、商用系統との間に二次電池充電用への電力変換装置３が接続され、さらに、二次電池１と、住宅分電盤２との間に住宅負荷用への電力変換装置４が接続されている。商用電源系統からの受電電力は、電力検出器（電力検出手段）５によって検出される。また、二次電池充電用への電力変換装置及び住宅負荷用への電力変換装置３及び４を制御するために、それぞれ力率制御装置６−１及び充電制御装置６−２及び放電制御装置７を備えている。図中、８は太陽光発電パネル、Ｍは住宅負荷、Ｔは連系給電である。

これらの装置は、住宅の内に設置されているものとする。まず、夜間電力時間帯に、住宅分電盤から２００Ｖ電源Ｍを取り出し、二次電池充電用への電力変換装置３を介して二次電池１の充電を行う。そして、昼間には、同じ受電系統からの受電電力が増加傾向となる時間帯、或いは契約電力が超えそうな場合に、二次電池１に蓄えられた電力を、住宅負荷用への電力変換装置４を介して、単相３線式１００／２００Ｖ電源に戻し、同じ分電盤２に給電する。

単相２００Ｖ側二次電池充電用への電力変換装置３を起動させる手段としての力率制御装置６−１及び充電電圧制御装置６−２は、時刻、或いは二次電池１の充電状態の電力状況からなる評価関数に従い、二次電池充電用への電力変換装置３を駆動させるための信号を出力する。

二次電池１側住宅負荷用への電力変換装置４を起動させる手段としての放電制御装置７は、電気検出器５により、単相３線式１００／２００Ｖ系統Ｓから受電電力を検知している。この受電電力量が増加傾向となる時間帯、或いは契約量を超えそうな場合には、住宅負荷用への電力変換装置４を起動させ、二次電池１に蓄えている電力を同じ受電系統の単相３線式１００／２００Ｖ商用系統側Ｔに放電による給電する。また、二次電池１に蓄えている電力は放電と共に電圧低下するため、二次電池１の蓄電状態の電力状況からなる評価を行い、住宅負荷用への電力変換装置４に昇降圧チョッパを組み込み、駆動を続行させるための信号を出力する。なお、８は太陽光発電パネル、Ｍは住宅負荷、Ｔは連系給電である。

図２は、本発明の実施例における制御装置６−１及び６−２の処理流れ図である。図２では、評価関数として時刻、二次電池の充電状態を用いており、制御装置６−１或いは６−２の内部には時計機能を有している。ステップ１０１において、前記時計機能により、夜間、例えば午後１１時になると時刻信号を発生させ、早朝、例えば午前８時になると時刻信号の発信を停止する。ステップ１０２において、時刻信号の有無を確認し、時刻信号のない場合にはルーチンを終了する。

時刻信号がある場合には、ステップ１０３において二次電池１の充電状態を確認し、満充電状態であるならば、ステップ１０１に戻る。二次電池１が満充電状態でない場合には、ステップ１０４に移り、単相２００Ｖ側二次電池充電用への電力変換装置３に駆動信号を出力する。駆動信号を受けた単相２００Ｖ側二次電池充電用への電力変換装置３は、二次電池１の充電動作を行う。ステップ１０４の後、ステップ１０１に移り、上記動作を繰る返すことで夜間電力を、二次電池１に充電を行うことができる。

図３は、本発明の実施例における制御装置７の処理流れ図である。図３では、評価関数として時刻、二次電池の充電状態を用いており、制御装置７の内部には時計機能を有している。ステップ２０１において、前記時計機能により、昼間、例えばユーザ側の使用電力の増加傾向となる時間帯に合わせ、その時間帯の始まりになると時刻信号を発信し、その時間帯の終わりになると時刻信号の発信を停止する。ステップ２０２において、時刻信号の有無を確認し、時刻信号のない場合にはルーチンを終了する。

時刻信号がある場合には、ステップ２０３において二次電池１の充電状態を確認し、充電状態である場合には、ステップ２０４に移り、充電がない場合はルーチンを終了する。ステップ２０４では電圧状態を確認し、ある特定電圧値以上の場合は、ステップ２０５に移り、単相３線式１００／２００Ｖ側住宅負荷用への電力変換装置４に駆動信号を出力する。或いは、ある特定電圧以下の場合は、ステップ２０６に移り、降圧チョッパ機能を昇圧チョッパ機能に切り替えて動作を行い、住宅負荷用への電力変換装置４に駆動信号を出力する。駆動信号を受けた住宅負荷用への電力変換装置４は、二次電池１の放電動作を行う。上記動作を繰り返すことにより、夜間電力を昼間にピークカットを行うことができる。

図４は、本発明の実施例における単相２００Ｖ側二次電池充電用への電力変換装置３の回路及び、二次電池１側住宅負荷用への電力変換装置４の構成回路図である。前者回路は、単相２００Ｖの系統から、全波整流器９を介して交流電力を直流電力に変換する。さらに、インダクタンス１０、ダイオード１１、トランジスタ（Ａ）１２、コデンサ１３、構成からなる昇圧回路により、電圧を昇圧させる。二次電池充電用への電力変換装置３は、力率制御装置６−１、及び充電電圧制御装置６−２から、入力電圧信号６−３、及び充電電圧検出信号６−４、及び充電電圧制御信号６−５、の駆動信号を受け、オンオフ動作を行う。ここで、電圧を昇圧させている理由は、二次電池１は、商用電源２００Ｖより電圧が高い仕様の電気自動車用二次電池とモジュール同一仕様品を、そのまま流用設置を行うこともできるためである。

図４の、本発明の実施例における単相２００Ｖ側二次電池充電用への電力変換装置３の回路及び、二次電池１側の住宅負荷への電力変換装置４の構成回路図である。後者回路は、二次電池１の電圧を、インダクタンス１０、ダイオード１１、コンデンサ１３、トランジスタ（Ｂ）１４、構成からなる昇降圧チョッパ回路により、電圧を昇降圧させる。住宅負荷用への電力変換装置４は、放電制御装置７より駆動信号を受け、オンオフ動作を行い、交流インバータ１５、にて直流電力を交流電力に変換する。以上の構成によって、二次電池１側の電圧が２００Ｖよりも低い場合においても、高い場合においても、単相３線式１００／２００Ｖ系統の住宅分電盤２へ連系給電Ｔを行うことが可能になる。なお、Ｅはアースである。

電気自動車搭載用モジュール二次電池１は電気自動車量産と共に価格が下がり入手し易くなり、住宅社会への二次電池導入件数は増加する。いずれは低価格エコロジー品として、住宅用太陽光発電設備の導入件数を超えると、本発明は予測する。よって、本発明とするところの住宅電気エネルギー管理システムは、住宅内での温室効果ガス削減対象商品として、産業上利用可能性が高いシステムと言える。行政よる補助金制度制定も必要とされる。

本発明の住宅電気エネルギー管理システムは、東京大学大学院工学系研究科の、二次電池による社会システム・イノベーションプロジェクトの構想を基本としたものであり、リチムイオン二次電池は、電気自動車だけでなく、様々な分野で活用される時代になっている。

１ 二次電池
２ 住宅分電盤
３ 二次電池充電用への電力変換装置
４ 住宅負荷用への電力変換装置
５ 電力検出器
６−１ 力率制御装置
６−２ 充電電圧制御装置
６−３ 入力電圧信号
６−４ 充電電圧検出信号
６−５ 充電電圧制御信号
７ 放電制御装置
８ 太陽光発電パネル
９ 全波整流器
１０ インダクタンス
１１ ダイオード
１２ トランジスタ（Ａ）
１３ コンデンサ
１４ トランジスタ（Ｂ）
１５ 交流インバータ
Ｅ アース
Ｍ 住宅負荷
Ｓ 商用電源
Ｔ 連系給電

Claims (1)

1. 電力を貯蔵する機能を持つ蓄電手段と、この蓄電手段に蓄えた電力を必要時に放電する電力貯蔵システムにおいて、
   単相３線式１００／２００Ｖの商用受電系統からの電力により蓄電手段に充電する機能を持つ二次電池充電用への電力変換装置とその力率制御装置及び充電電圧制御装置を備え、
   この蓄電手段に蓄えた電力を同じ受電系統の単相３線式１００／２００Ｖの商用電源系統に連系放電によって給電する機能を持つ住宅負荷用への電力変換装置とその放電制御装置を備え、
   前記単相３線式１００／２００Ｖの商用電源系統から受電する住宅等において、夜間電力時間帯に住宅分電盤負荷側単相２００Ｖの電源を、前記二次電池充電用への電力変換装置を介して前記蓄電手段に充電を行い、
   昼間での消費電力のピーク時間帯に、前記蓄電手段に蓄えられた電力を、前記住宅負荷用への電力変換装置を介して、同じ受電系統住宅分電盤負荷側の単相３線式１００／２００Ｖに連系放電による給電を行うことによる電力ピークカットを実現する機能を備え、
   前記単相３線式１００／２００Ｖ商用電源系統からの受電電力を検出する手段と、この受電電力検出手段の出力に応じて前記住宅負荷への電力変換装置を起動させる手段としての放電制御装置を備え、
   また、前記二次電池充電用への電力変換装置を起動させる手段としての力率制御装置及び充電電圧制御装置を備え、
   更に、該力率制御装置或いは充電電圧制御装置の内部時計及び二次電池の充電状態の電力状況からなる評価関数に従い、前記二次電池充電用への電力変換装置を駆動させるための信号を出力する機能を備え、
   二次電池充電用への電力変換装置及び住宅負荷用への電力変換装置が、高圧充放電の電気自動車への二次電池仕様にも対応可能であり、
   前記二次電池充電用への電力変換装置が昇圧機能を備えることを特徴とする１００／２００Ｖ商用電源系統から受電する住宅電気エネルギー管理システム。

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