JP5796212B2

JP5796212B2 - 電力供給システム

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Publication number: JP5796212B2
Application number: JP2011122467A
Authority: JP
Inventors: 田村　秀樹; 秀樹田村; 悟田舎片
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2031-05-31
Also published as: JP2012253840A; WO2012165154A1; EP2717411A4; EP2717411A1

Description

本発明は、電力供給システムに関するものである。

従来、太陽光発電装置等の分散電源による発電電力を商用電源と組み合わせ、さらに蓄電池に蓄電して、商用電源、分散電源、蓄電池から機器へ電力を供給する電力供給システムがある（例えば、特許文献１）。

特開２０１１−１５５０１号公報

従来の電力供給システムでは、商用電源からの電力供給が停止する停電時に、分散電源の発電電力や蓄電池の蓄電電力を用いた自立運転を行うことによって、機器への電力供給がなされる。しかしながら、機器への配電系統に短絡・漏電等の異常が発生している場合、火災や、機器の故障等の２次災害が発生する虞があった。

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、パワーコンディショナの自立運転時に、分散電源や蓄電池からの電力供給による２次災害の発生を抑制することができる電力供給システムを提供することにある。

本発明の電力供給システムは、系統連系運転時に分散電源の発電電力から生成した交流電力を商用電源が接続された主電路へ供給する第１の出力部、自立運転時に前記分散電源の発電電力から生成した交流電力を出力する第２の出力部を備えたパワーコンディショナと、商用電源および前記第２の出力部から供給される交流電力を用いて蓄電池ユニットを充電し、前記蓄電池ユニットの充電電力を交流電力に変換して、第３の出力部を介して機器へ供給する充放電ユニットと、前記第３の出力部から前記機器までの電路における異常を検出する異常検出部とを備え、前記充放電ユニットは、前記パワーコンディショナが系統連系運転から自立運転に切り替わったときに、前記第３の出力部を介して、前記機器の定格電力より小さい電力を前記機器へ供給し、前記異常検出部は、前記第３の出力部の出力電圧が閾値未満であれば、前記異常を検出し、前記充放電ユニットは、前記異常検出部が前記異常を検出した場合、前記第３の出力部から交流電力の供給を停止し、前記異常検出部が前記異常を検出しなかった場合、前記第３の出力部を介して供給する電力を増大させることを特徴とする。

この発明において、前記異常検出部が前記異常を検出したとき、この異常発生を報知する異常報知部を備えることが好ましい。

以上説明したように、本発明では、パワーコンディショナの自立運転時に、分散電源や蓄電池からの電力供給による２次災害の発生を抑制することができるという効果がある。

実施形態の電力供給システムの構成を示すブロック図である。同上のパワーコンディショナの構成を示すブロック図である。同上の充放電ユニットの構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（実施形態）
本実施形態の電力供給システムは、図１に示す構成を備えており、電力会社から電力を供給されている各需要家において用いられる。本システムは、連携盤１１、パワーコンディショナ１２、太陽電池１３、充放電ユニット１４、蓄電池ユニット１５、電力計測ユニット１６、情報モニタ端末１７、切替ボックス１８、接続箱１９、システムリモコン２０を主構成として備える。

連携盤１１は、集合住宅の各住戸、戸建て住宅、工場、事務所等の需要家内に引き込まれた単相３線式２００Ｖ／１００Ｖの幹線電路Ｗａ１が接続され、電力会社の商用電源ＰＳから幹線電路Ｗａ１を介して商用電力が供給される。そして、連携盤１１は、主電源ブレーカ１１ａ、分岐ブレーカ１１ｂ、太陽光発電用ブレーカ１１ｃが収納されている。幹線電路Ｗａ１は、主電源ブレーカ１１ａを介して複数の分岐ブレーカ１１ｂに接続され、各分岐ブレーカ１１ｂを介して複数の分岐電路Ｗａ２に分岐する。分岐電路Ｗａ２のそれぞれは、照明機器、空調機器、家電機器等の機器Ｋ１が接続され、これらの機器Ｋ１へ交流電力を供給する。なお、幹線電路Ｗａ１と分岐電路Ｗａ２とが、本発明の主電路に相当する。

本システムは、パワーコンディショナ１２と、太陽電池１３とで構成される太陽光発電装置を備える。太陽光によって太陽電池１３が発電した直流電力は、接続箱１９を介してパワーコンディショナ１２に供給され、パワーコンディショナ１２によって交流電力に変換される。

図２は、パワーコンディショナ１２のブロック構成を示し、コンバータ１２ａ、インバータ１２ｂ、解列器１２ｃ，１２ｄ、連系出力部１２ｅ、自立コンセント１２ｆ、制御回路１２ｇを備える。

コンバータ１２ａは、太陽電池１３の直流出力を所定の直流電圧に変換し、インバータ１２ｂは、コンバータ１２ａが出力する直流電圧を交流電圧に変換する。制御回路１２ｇは、コンバータ１２ａおよびインバータ１２ｂの動作を制御するとともに、解列器１２ｃ，１２ｄを開閉制御することによって、インバータ１２ｂの交流出力を、連系出力部１２ｅまたは自立コンセント１２ｆから供給する。

連系出力部１２ｅからの交流出力は、交流電路Ｗａ３から、連携盤１１の太陽光発電用ブレーカ１１ｃを介して、主電源ブレーカ１１ａの一次側に接続される。而して、連系出力部１２ｅからの交流出力は、太陽光発電用ブレーカ１１ｃおよび主電源ブレーカ１１ａおよび分岐ブレーカ１１ｂを介して分岐電路Ｗａ２へ供給される。連系出力部１２ｅから出力される交流電力のうち、消費されなかった余剰分は、幹線電路Ｗａ１を介して商用電源ＰＳへ逆潮流（売電）する。なお、パワーコンディショナ１２は、連系出力部１２ｅからの交流出力を、商用電源ＰＳが供給する商用電力に協調させる系統連系運転機能を有する。

また、自立コンセント１２ｆからの交流出力は、交流電路Ｗａ４を介して充放電ユニット１４へ供給される。

さらに、本システムは、充放電ユニット１４と、蓄電池ユニット１５とで構成される蓄電装置を備える。蓄電池ユニット１５は、例えばリチウムイオン電池等の二次電池で構成され、充放電ユニット１４によって充放電制御がなされる。

充放電ユニット１４は、連携盤１１の分岐ブレーカ１１ｂに分岐電路Ｗａ２経由で接続しており、連携盤１１を介して供給される交流電力を直流電力に変換して蓄電池ユニット１５を充電する。また、充放電ユニット１４は、蓄電池ユニット１５に蓄えられている直流電力を交流電力に変換し、交流電路Ｗａ５を介して後述の機器Ｋ２へ供給する。すなわち、充放電ユニット１４は、ＡＣ／ＤＣ変換機能とＤＣ／ＡＣ変換機能との両方を有する。

図３は、充放電ユニット１４のブロック構成を示し、双方向電力変換部１４ａ、解列器１４ｂ，１４ｃ、連系入出力部１４ｄ、自立コンセント１４ｅ、制御回路１４ｆ、直流変換部１４ｇ、異常検出部１４ｈを備える。

蓄電池ユニット１５は、双方向電力変換部１４ａに接続し、双方向電力変換部１４ａは、蓄電池ユニット１５の直流電力を交流電力に変換する。制御回路１４ｆは、双方向電力変換部１４ａの動作を制御するとともに、解列器１４ｂ，１４ｃを開閉制御することによって、双方向電力変換部１４ａの交流出力を、連系入出力部１４ｄまたは自立コンセント１４ｅから供給する。また、双方向電力変換部１４ａは、分岐電路Ｗａ２から連系入出力部１４ｄ、解列器１４ｂを介して供給される交流電力を直流電力に変換して、蓄電池ユニット１５を充電する。なお、充放電ユニット１４は、連系入出力部１４ｄから供給する交流出力を、商用電源ＰＳが供給する商用電力に協調させる系統連系運転機能を有する。

電力計測ユニット１６は、本システム内の３箇所における電力を測定している。１箇所目は、商用電源ＰＳおよびパワーコンディショナ１２から主電源ブレーカ１１ａを介して供給される交流電力である。２箇所目は、パワーコンディショナ１２の連系出力部１２ｅから供給される交流電力である。３箇所目は、分岐電路Ｗａ２から充放電ユニット１４に供給される蓄電池ユニット１５の充電電力である。電力計測ユニット１６は、上記各箇所における電力測定データを、無線信号で情報モニタ端末１７へ送信し、情報モニタ端末１７は、上記各箇所における電力の測定結果を表示する。

さらに、電力計測ユニット１６は、上記各箇所における電力測定データに基づいて、商用電源ＰＳが商用電力を供給している通常時と、商用電源ＰＳから商用電力の供給が停止している停電時との判別を行い、この判別結果（停電判別情報）を信号線Ｗｓを介して充放電ユニット１４へ送信する。充放電ユニット１４は、受信した停電判別情報に基づいて、通常時／停電時を認識することができる。さらに充放電ユニット１４は、停電判別情報を、信号線Ｗｓを介してパワーコンディショナ１２へ送信し、パワーコンディショナ１２は、通常時／停電時を認識して、系統連系運転と自立運転とを切り替えることができる。

まず、商用電源ＰＳが商用電力を供給している通常時における各動作について説明する。

パワーコンディショナ１２は、通常時において、解列器１２ｃを閉成、解列器１２ｄを開成し、太陽電池１３の発電電力から生成した交流電力を、連系出力部１２ｅから太陽光発電用ブレーカ１１ｃおよび主電源ブレーカ１１ａおよび分岐ブレーカ１１ｂを介して分岐電路Ｗａ２へ供給する。すなわち、パワーコンディショナ１２は、通常時において、連携盤１１を介して交流電力を供給する。この場合、パワーコンディショナ１２に設けた自立コンセント１２ｆには、太陽電池１３の発電電力から生成した交流電力が供給されていない。なお、連系出力部１２ｅが、系統連系運転専用の出力であって、本発明の第１の出力部に相当する。また、自立コンセント１２ｆが、自立運転専用の出力であって、本発明の第２の出力部に相当する。

充放電ユニット１４は、通常時において、解列器１４ｂを閉成、解列器１４ｃを開成し、双方向電力変換部１４ａは、分岐電路Ｗａ２から供給される交流電力を直流電力に変換して、蓄電池ユニット１５を充電する。

すなわち、通常時において、機器Ｋ１の動作電力、および蓄電池ユニット１５の充電電力は、商用電源ＰＳおよびパワーコンディショナ１２から連携盤１１を介して供給される。パワーコンディショナ１２が出力する交流電力のうち、機器Ｋ１の動作電力および蓄電池ユニット１５の充電電力として消費されなかった余剰分は、幹線電路Ｗａ１を介して商用電源ＰＳへ逆潮流（売電）する。このように、パワーコンディショナ１２は、通常時において系統連系運転を行う。

また、特定の分岐電路Ｗａ２は、通常時において、切替ボックス１８を介して交流電路Ｗａ６に接続している。切替ボックス１８は、交流電路Ｗａ６の接続先を分岐電路Ｗａ２または後述の交流電路Ｗａ５に切り替えるスイッチ手段を備えており、通常時においては、交流電路Ｗａ６の接続先を分岐電路Ｗａ２に切り替えている。したがって、通常時において、交流電路Ｗａ６に接続している機器Ｋ２の動作電力は、商用電源ＰＳおよびパワーコンディショナ１２から供給される。

次に、商用電源ＰＳが商用電力の供給を停止している停電時の動作について説明する。

パワーコンディショナ１２は、停電時において、解列器１２ｃを開成することによって、太陽電池１３の発電電力から生成した交流電力は、連携盤１１側へ出力されなくなる。すなわち、機器Ｋ１は動作電力が供給されなくなり、蓄電池ユニット１５の充電電力も、商用電源ＰＳおよびパワーコンディショナ１２から連携盤１１を介して供給されなくなる。

しかしながら、パワーコンディショナ１２は、停電時において、解列器１２ｄを閉成し、自立コンセント１２ｆに、太陽電池１３の発電電力から生成した交流電力を供給する。すなわち、パワーコンディショナ１２は、停電時において自立運転を行う。なお、停電時に自動で自立運転に切り替わる構成、または停電時にユーザの手動操作によって自立運転に切り替わる構成のいずれであってもよい。

また、充放電ユニット１４の制御回路１４ｆは、蓄電池ユニット１５の蓄電電力を自己の動作電源としており、停電時においても動作可能である。そして、制御回路１４ｆは、停電時において、解列器１４ｂを開成、解列器１４ｃを閉成し、さらに双方向電力変換部１４ａは、蓄電池ユニット１５に蓄えられている直流電力を交流電力に変換し、解列器１４ｃを介して自立コンセント１４ｅに交流電力を供給する。なお、自立コンセント１４ｅが、本発明の第３の出力部に相当する。

自立コンセント１４ｅは、交流電路Ｗａ５を介して切替ボックス１８に接続している。切替ボックス１８は、停電時において、交流電路Ｗａ６の接続先を交流電路Ｗａ５に切り替える。したがって、停電時において、交流電路Ｗａ６に接続している機器Ｋ２の動作電力は、蓄電池ユニット１５から充放電ユニット１４を介して供給される。ここで、機器Ｋ２は、停電時においても動作させたい機器であり、例えば照明機器、空調機器、冷蔵庫等が挙げられる。切替ボックス１８の切替動作は、停電時に自動切替を行う自動切替手段（図示なし）を備える構成、ユーザが手動切替する手動操作手段（図示なし）を備える構成のいずれであってもよい。なお、自動切替手段は、例えばリレー等を用いて構成される。

このように、充放電ユニット１４は、停電時にも動作させたい機器Ｋ２に交流電力を供給するための自立コンセント１４ｅを備えており、停電時において、連携盤１１を経由することなく、機器Ｋ２へ動作電力を供給することができる。なお、自立コンセント１４ｅは、プラグの栓刃が接続されるコンセントの形態、端子が接続される端子台の形態のいずれであってもよい。

さらに、パワーコンディショナ１２は、太陽電池１３の発電電力から生成した交流電力を、自立コンセント１２ｆを介して充放電ユニット１４に供給している。充放電ユニット１４の直流変換部１４ｇは、自立コンセント１２ｆから供給される交流電力を直流電力に変換する。直流変換部１４ｇが出力する直流電力は、蓄電池ユニット１５の充電電力、または双方向電力変換部１４ａによって自立コンセント１４ｅを介して機器Ｋ２へ供給される交流電力に変換される。

このような電力供給システムでは、通常時において、連携盤１１を経由して、商用電源ＰＳとパワーコンディショナ１２とから、蓄電池ユニット１５の充電電力を供給する。しかしながら、商用電源ＰＳの停電時において、パワーコンディショナ１２の交流出力は連携盤１１に出力されない。そこで上記のように、商用電源ＰＳの停電時には、パワーコンディショナ１２の自立コンセント１２ｆから蓄電池ユニット１５の充電電力を供給することによって、停電時にも太陽光発電によって蓄電池ユニット１５を充電することができる。したがって、パワーコンディショナ１２の自立コンセント１２ｆから蓄電することができ、停電時の電力供給能力の向上を図ることができる。

また、機器Ｋ２に供給される電力は、切替ボックス１８によって、通常時には連携盤１１経由で供給され、停電時には充放電ユニット１４の自立コンセント１４ｅから供給されるので、機器Ｋ２へ動作電力を常時供給することができる。

このように、充放電ユニット１４は、停電時において、蓄電池ユニット１５の蓄電電力および太陽電池１３の発電電力を用いて、自立コンセント１４ｅから機器Ｋ２へ交流電力を供給している。

そして、本実施形態では、通常時から停電時に切り替わった際（パワーコンディショナ１２が系統連系運転から自立運転に切り替わった際）、交流電路Ｗａ５，Ｗａ６、切替ボックス１８、機器Ｋ２からなる出力電路の短絡・漏電等の異常検出を行う。以下、この異常検出処理について説明する。

まず、充放電ユニット１４の制御回路１４ｆは、停電時に切り替わった後、双方向電力変換部１４ａを制御して、自立コンセント１４ｅから供給する交流電力を、機器Ｋ２の待機電力に略等しいレベルに制限する。すなわち、機器Ｋ２は、消費電力を抑制した待機状態で動作可能な電力（制限電力）を充放電ユニット１４から供給される。なお、機器Ｋ２の待機電力に略等しいレベルとは、例えば機器Ｋ２の待機電力より少し大きい電力であり、機器Ｋ２の通常動作時における定格電力より小さい電力である。なお、実際の制限電力は、機器Ｋ２の待機電力より少し大きい電力に、交流電路Ｗａ６から電力を供給されて動作する端末（電力計測ユニット１６、情報モニタ端末１７、システムリモコン２０等）の使用電力を足した値になる。

ここで、電力計測ユニット１６は、交流電路Ｗａ６から機器Ｋ２へ供給される電力を測定しており、システムリモコン２０は、この測定結果に基づいて機器Ｋ２の待機電力を予め導出しておく。そして、制御回路１４ｆは、システムリモコン２０が保持している待機電力に関するデータを、システムリモコン２０から取得し、この機器Ｋ２の待機電力に関するデータに基づいて、制限電力を設定している。

また、充放電ユニット１４は、有線通信または無線通信機能を有しており、異常検出部１４ｈは、短絡・漏電等の異常検出を行うことを有線通信または無線通信によってシステムリモコン２０（機器コントローラ）へ通知する（異常検出開始通知）。例えば、充放電ユニット１４は、信号線Ｗｓを介して通信可能に接続している電力計測ユニット１６の無線通信機能を用いて、システムリモコン２０との間で通信を行う。

システムリモコン２０は、交流電路Ｗａ６から動作電力を供給されており、機器Ｋ１，Ｋ２を遠隔制御する機能を有する。そして、異常検出開始通知を受信したシステムリモコン２０は、有線通信または無線通信によって、機器Ｋ２を待機状態に移行させる。

したがって、通常時から停電時に切り替わった際、機器Ｋ２は待機状態に制御されるとともに、制限電力を自立コンセント１４ｅから供給される。そして、異常検出部１４ｈは、待機状態の機器Ｋ２に対して制限電力を供給している状態で、自立コンセント１４ｅの出力電圧を監視する。

異常検出部１４ｈは、自立コンセント１４ｅの出力電圧が閾値以上であれば（例えば、ＡＣ１００Ｖの９０％以上）、自立コンセント１４ｅの出力電路は正常であると判断する。自立コンセント１４ｅの出力電路が正常である場合、制御回路１４ｆは、双方向電力変換部１４ａを制御して出力制限を解除し、自立コンセント１４ｅから供給する交流電力を増大させ、機器Ｋ２が待機状態から起動可能な電力を供給する。

また、自立コンセント１４ｅの出力電路に短絡・漏電等の異常がある場合、自立コンセント１４ｅの出力電圧は低下する。そこで、異常検出部１４ｈは、自立コンセント１４ｅの出力電圧が閾値未満であれば（例えば、ＡＣ１００Ｖの９０％未満）、自立コンセント１４ｅの出力電路は異常であると判断する。自立コンセント１４ｅの出力電路が異常である場合、制御回路１４ｆは、双方向電力変換部１４ａの交流出力動作を停止し、解列器１４ｃを開成して、自立コンセント１４ｅからの電力供給を遮断（停止）する。

このように、自立コンセント１４ｅから機器Ｋ２へ電力を供給する際に、比較的小さい制限電力を用いて電路の異常の有無を判断し、異常時には自立コンセント１４ｅからの電力供給を停止する。したがって、充放電ユニット１４による短絡・漏電等の異常検出を有効に動作させることができ、パワーコンディショナ１２の自立運転時に、分散電源や蓄電池からの電力供給による火災や機器の故障等の２次災害の発生を抑制することができる。

また、充放電ユニット１４と蓄電池ユニット１５とのペアを複数組設けて、充放電ユニット１４毎に互いに異なる交流電路Ｗａ６に接続している場合、充放電ユニット１４のそれぞれが独立して、停電時における自立コンセント１４ｅの出力電路の異常検出を行う。そして、自立コンセント１４ｅの出力電路に異常を検出しなかった充放電ユニット１４のみが、自立コンセント１４ｅから電力供給を継続する。

また、異常検出部１４ｈは、自立コンセント１４ｅの出力電路の異常を検出した場合、有線通信または無線通信によって情報モニタ端末１７へ電路異常通知を送信する。例えば、充放電ユニット１４は、信号線Ｗｓを介して通信可能に接続している電力計測ユニット１６の無線通信機能を用いて、情報モニタ端末１７との間で通信を行う。電路異常通知を受信した情報モニタ端末１７は、自立コンセント１４ｅの出力電路に短絡・漏電等の異常が発生したことを表示し、ユーザへ報知する。なお、情報モニタ端末１７が、本発明の異常報知部に相当する。

したがって、ユーザは、情報モニタ端末１７の表示画面を見ることによって、電路異常を認識でき、復旧のための対応をとることができる。なお、警報音鳴動によって、異常の発生をユーザへ報知してもよい。

なお、本実施形態では、分散電源として太陽電池１３を用いているが、燃料電池、風力発電装置等の他の分散電源を用いてもよい。

１１連携盤
１２パワーコンディショナ
１２ｅ連系出力部（第１の出力部）
１２ｆ自立コンセント（第２の出力部）
１３太陽電池（分散電源）
１４充放電ユニット
１４ｅ自立コンセント（第３の出力部）
１４ｈ異常検出部
１５蓄電池ユニット
Ｋ１，Ｋ２機器

Claims

系統連系運転時に分散電源の発電電力から生成した交流電力を商用電源が接続された主電路へ供給する第１の出力部、自立運転時に前記分散電源の発電電力から生成した交流電力を出力する第２の出力部を備えたパワーコンディショナと、
商用電源および前記第２の出力部から供給される交流電力を用いて蓄電池ユニットを充電し、前記蓄電池ユニットの充電電力を交流電力に変換して、第３の出力部を介して機器へ供給する充放電ユニットと、
前記第３の出力部から前記機器までの電路における異常を検出する異常検出部とを備え、
前記充放電ユニットは、前記パワーコンディショナが系統連系運転から自立運転に切り替わったときに、前記第３の出力部を介して、前記機器の定格電力より小さい電力を前記機器へ供給し、
前記異常検出部は、前記第３の出力部の出力電圧が閾値未満であれば、前記異常を検出し、
前記充放電ユニットは、前記異常検出部が前記異常を検出した場合、前記第３の出力部から交流電力の供給を停止し、前記異常検出部が前記異常を検出しなかった場合、前記第３の出力部を介して供給する電力を増大させる
ことを特徴とする電力供給システム。
前記異常検出部が前記異常を検出したとき、この異常発生を報知する異常報知部を備えることを特徴とする請求項１記載の電力供給システム。