JP5934997B2

JP5934997B2 - 電力供給システム

Info

Publication number: JP5934997B2
Application number: JP2012004801A
Authority: JP
Inventors: 和憲木寺
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2016-06-15
Anticipated expiration: 2032-01-13
Also published as: JP2013146121A

Description

本発明は、太陽光発電システムや蓄電池給電システムなどの電力供給システム、特に災害時に電力の出力を停止する保護回路を備えた電力供給システムに関する。

近年、太陽光発電システムや蓄電池給電システムなどの電力供給システムを備えた建築物が増加している。一方で、毎年、大雨による河川の氾濫や土石流などの自然災害によって、家屋が破壊されたり、押し流されたりする事例が発生している。また、２０１１年３月１１日に発生した東北地方太平洋沖地震及びそれに伴う津波（東日本大震災）によって多くの建築物が破壊され、水没したことは記憶に新しい。

太陽光発電システムや蓄電池給電システムなどの電力供給システムでは、例えば太陽電池パネルや蓄電池などに遮断器が設けられており、保守点検などの際に、遮断器を動作させて下流側の例えばパワーコンディショナなどに電力を出力しないように構成されている。一般的に、この遮断器は、作業時に作業者によって操作されるものであり、災害発生時に自動的に動作するようには設計されていない。また、太陽電池パネルや蓄電池とパワーコンディショナ及びパワーコンディショナと配電盤などを接続する配線は、地震などによっては容易に外れないように構成されている。そのため、建築物が破壊されるような大規模な災害であっても、これらの配線が切断されることはなく、太陽電池パネルなどが発電している限り、電力供給システムから電力が出力され続ける。１９９５年１月１７日に発生した兵庫県南部地震（阪神淡路大震災）では、商用電源の送電再開に伴って倒壊した家屋から火災が発生していることから、電力供給システムから電力が出力され続ける状態では倒壊家屋の火災発生が予想される。また、電力供給システムから電力が出力され続ける状態で海水などが流入すると、付近にいる人が感電する可能性がある。

特許文献１には、直流安定化電源において、出力電圧の状態を監視する電圧検出ラインが断線したときに、リレーを動作させて出力電圧を切断する装置が開示されている。しかしながら、検出ラインは容易に断線することはなく、この装置は、実際にはほとんど起こりえない事故に対する安全対策である。そのため、電力供給システムに、単純に特許文献１の装置を組み込んだとしても、電圧検出用の配線が切断されない限り、上記のような火災発生や感電を防止することはできない。

特開平５−６４３５０号公報

本発明は、上記従来例の問題を解決するためになされたものであり、比較的簡単な構造でありながら、大規模な災害発生時に電力の出力を停止する電力供給システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る電力供給システムは、直流電源からの電力を出力するための第１電力出力線及び第２電力出力線と、前記第１電力出力線の断線を検出するための断線検出線と、前記第１電力出力線と前記断線検出線との間に接続され、前記第１電力出力線の断線を検出するための断線検出回路と、前記直流電源と、前記断線検出線と、前記第２電力出力線に接続され、前記断線検出回路が前記第１電力出力線の断線を検出していないときに、前記直流電源と前記第２電力出力線の導通を確保し、前記断線検出回路が前記第１電力出力線の断線を検出したときに、前記直流電源と前記第２電力出力線の導通を遮断する遮断回路と、前記直流電源と前記断線検出回路との間の前記第１電力出力線に設けられた第１コネクタと、少なくとも前記断線検出回路と前記遮断回路の間の前記断線検出線に、前記第１コネクタとは別の場所に設けられた第２コネクタとを備え、前記第１コネクタ及び前記第２コネクタはプラグとソケットで構成され、前記第１電力出力線又は前記断線検出線に引っ張り力が加えられたときに、前記プラグと前記ソケットが外れるように構成されていることを特徴とする。

前記直流電源は太陽電池パネルであり、前記遮断回路は、前記直流電源と前記第２電力出力線との間に接続された半導体スイッチ素子と、前記半導体スイッチ素子のゲート電極に接続された制御スイッチ素子であって、前記制御スイッチ素子が導通している間前記半導体スイッチ素子を非導通とし、前記制御スイッチ素子が非導通になると前記半導体スイッチ素子を導通させるものと、前記制御スイッチ素子のゲート電極に接続され、その入力電圧が所定の閾値に達すると前記制御スイッチ素子を非導通にするコンパレータを備え、前記断線検出回路は、前記コンパレータに前記入力電圧を入力するための電圧発生回路であることが好ましい。

前記第１コネクタと前記第２コネクタは、所定距離を隔てて設けられ、前記所定の距離は、前記第１コネクタと前記第２コネクタが海水中にある場合に、所定の電気抵抗を発生するように設定されていることが好ましい。

前記第１コネクタの前記プラグは、前記プラグと前記ソケットが外れたときに、その導体部分が絶縁性のジェル状樹脂によって覆われるように構成されていることが好ましい。

本発明によれば、第１電力出力線に引っ張り力が加えられるような大規模な災害が発生したときに、第１コネクタのプラグとソケットが外れ、第１電力出力線が比較的容易に断線する。第１電力出力線が断線すると、遮断回路が直流電源と第２電力出力線の導通を遮断するので、仮に第１コネクタのプラグとソケットの間又は第１コネクタのプラグと第２電力出力線の導体部分が海水や木材などによって導通したとしても、ほとんどの場合、直流電源から電力は出力されない。その結果、感電や火災などを防止することができる。

本発明の一実施形態に係る電力供給システムの第１構成例を示すブロック図。上記電力供給システムの第１構成例の具体的な回路構成を示す図。上記電力供給システムの第１構成例における第１コネクタの構成例を示す図であり、（ａ）はプラグとソケットを分離した状態、（ｂ）はプラグとソケットを結合した状態を示す。本発明の一実施形態に係る電力供給システムの第２構成例を示すブロック図。本発明の一実施形態に係る電力供給システムの第３構成例の具体的な回路構成を示す図。（ａ）は、図２に示す遮断回路９における半導体スイッチ素子のゲートに印加される電圧と直流電源の端子から出力される電圧の関係を示す図、（ｂ）は、図５に示す遮断回路における半導体スイッチ素子のゲートに印加される電圧と直流電源の端子から出力される電圧の関係を示す図。

本発明の一実施形態に係る電力供給システムについて説明する。図１は、本実施形態に係る電力供給システムの第１構成例を示す。この電力供給システム１は、例えば太陽電池パネルや蓄電池などの直流電源２と、インバータ回路１２を備えたパワーコンディショナ４などで構成されている。インバータ回路１２は、直流電源２から出力された直流電力を交流電力に変換し、出力する。直流電源２とパワーコンディショナ４とは、直流電源２からの電力を出力するための第１電力出力線５及び第２電力出力線６と、第１電力出力線５の断線を検出するための断線検出線７で接続されている。パワーコンディショナ４は、第１電力出力線５と断線検出線７との間に接続され、第１電力出力線５の断線を検出するための断線検出回路８を備えている。直流電源２は、断線検出線７と、第２電力出力線６に接続され、断線検出回路８の検出結果に応じて直流電源２と第２電力出力線６の導通及び遮断を制御する遮断回路９を備えている。第１電力出力線５は、直流電源２の高電圧側出力端子とパワーコンディショナ４の高電圧側入力端子に接続されており、その中間部にプラグとソケットで構成された第１コネクタ１０が設けられている。断線検出回路８の一端は、パワーコンディショナ４の高電圧側入力端子、すなわち第１電力出力線５に接続されている。また、断線検出回路８の他端は、断線検出線７のパワーコンディショナ４側端子に接続されている。第２電力出力線６は、直流電源２の遮断回路９とパワーコンディショナ４の低電圧側入力端子に接続されている。なお、第１構成例では、第２電力出力線６と断線検出線７の中間部にはコネクタが設けられていない。また、直流電源２が太陽電池パネルであり、その太陽電池パネルが複数設けられているときは、複数の太陽電池パネルは、接続箱（図示せず）を介してパワーコンディショナと接続される。

図２は、断線検出回路８と遮断回路９の具体的な回路構成例を示す。断線検出回路８は、一端がパワーコンディショナ４の高電圧側入力端子、すなわち第１電力出力線５に接続された抵抗体Ｒ２で構成され、所定の電圧を発生させる。遮断回路９は、直流電源２の低電圧側と第２電力出力線６との間に接続された、例えばＦＥＴなどの半導体スイッチ素子Ｑ１、ツェナーダイオードＺＤ１、抵抗体Ｒ１などで構成されている。半導体スイッチ素子Ｑ１のゲート電極は断線検出線７を介して断線検出回路８の抵抗体Ｒ２の他端に接続され、抵抗体Ｒ２により発生された所定の電圧がゲート駆動信号として半導体スイッチ素子Ｑ１のゲート電極に入力される。第１電力出力線５が断線していないとき、遮断回路９の半導体スイッチ素子Ｑ１のゲート電極にゲート駆動信号が入力され、半導体スイッチ素子Ｑ１が導通している。すなわち、断線検出回路８が第１電力出力線の断線を検出していないときは、直流電源２から第１電力出力線５及び第２電力出力線６を介してインバータ回路１２に直流電力が入力され、インバータ回路１２から交流電力が出力される。一方、第１電力出力線５が断線すると、遮断回路９の半導体スイッチ素子Ｑ１のゲート電極にゲート駆動信号が入力されず、半導体スイッチ素子Ｑ１が非導通となる。すなわち、断線検出回路８が第１電力出力線の断線を検出すると、直流電源２と第２電力出力線６が非導通となり、インバータ回路１２に直流電力が入力されず、インバータ回路１２から交流電力が出力されなくなる。

図３に示すように、第１コネクタ１０はプラグ２１とソケット２２で構成されている。これらプラグ２１とソケット２２は、互いに差し込まれて結合されるだけであり、外れにくくするためのねじ止め構造や爪と凹部を係合させる構造は有していない。また、例えばプラグ２１の雄端子２３の表面には、ジェル状の絶縁性樹脂２４が塗布されており、あるいは、プラグ２１のハウジング２１ａの凹部２１ｂにジェル状の絶縁性樹脂２４が充填されている。プラグ２１とソケット２２を結合させた状態では、ソケット２２のハウジング２２ａの先端部が絶縁性樹脂２４をプラグ２１のハウジング２１ａの凹部２１ｂの奥に押し込め、プラグ２１の雄端子２３とソケット２２の雌端子２５が接触し、電気的に導通される。ここで、第１電力出力線５に引っ張り力が作用すると、第１コネクタ１０を構成するプラグ２１とソケット２２が外れ、第１電力出力線５が断線する。プラグ２１とソケット２２が外れると、すなわち、プラグ２１の雄端子２３とソケット２２の雌端子２５が離反すると、ジェル状の絶縁性樹脂２４がその弾性力により元の形状に復元しようとし、プラグ２１の雄端子２３の表面がジェル状の絶縁性樹脂２４で覆われる。そのため、大規模な災害によって家屋が倒壊し、第１電力出力線５が断線したとしても、プラグ２１の雄端子２３の表面がジェル状の絶縁性樹脂２４で覆われる。そして、仮に直流電源２が電力を出力し続け、且つ、プラグ２１とソケット２２が共に海水中に水没したとしても、プラグ２１からソケット２２に電流が流れることはなく、断線検出回路８は第１電力出力線の断線を検出することができる。その結果、遮断回路９は直流電源２と第２電力出力線の導通を遮断する。また、プラグ２１の雄端子２３とその他の導体部分、例えば断線検出線７や第２電力出力線６の端子などとの間でも電流は流れない。

図４は、本実施形態に係る電力供給システムの第２構成例を示す。第２構成例では、第２電力出力線６及び断線検出線７の中間部にも、第１コネクタ１０と同様の第２コネクタ１１が設けられている。また、第１電力出力線５、第２電力出力線６及び断線検出線７がそれぞれ並列に配線される場合であっても、第１コネクタ１０と第２コネクタ１１を別の場所に設けることが好ましい。仮に、大規模な災害によって家屋が倒壊したとしても、第１コネクタ１０のプラグ２１とソケット２２が首尾よく外れるとは限らない。第１コネクタ１０と第２コネクタ１１を別の場所に設けておけば、第１コネクタ１０と第２コネクタ１１のいずれか一方が外れる可能性が高くなる。第２コネクタ１１のプラグとソケットが外れれば、断線検出線７が断線し、遮断回路９の半導体スイッチ素子Ｑ１のゲート電極にゲート駆動信号が入力されず、半導体スイッチ素子Ｑ１が非導通となる。図４では、第２電力出力線６及び断線検出線７を１つの第２コネクタ１１で接続しているが、それぞれ個別の第２コネクタ１１で接続してもよい。また、第２コネクタ１１は図３に示す第１コネクタと同様に、プラグとソケットが互いに差し込まれて結合される構成であってもよい。また、プラグ側にジェル状絶縁性樹脂を設けていてもよい。

さらに、第１コネクタ１０と第２コネクタ１１を別の場所に設ける場合、仮に第１コネクタ１０と第２コネクタ１１が共に海水中に水没したとしても、所定の電気抵抗を発生するように所定距離を隔てて設けられていることが好ましい。周知のように、（海水と区別するという意味での）真水は比較的電気抵抗が高く、第１コネクタ１０と第２コネクタ１１が水没したとしても直ちにショートするというものではない。そのため、真水を介して電流が流れたとしても、遮断回路９の半導体スイッチ素子Ｑ１のゲート電極に印加される電圧は低く、ゲート−ドレイン電圧閾値以下となって、半導体スイッチ素子Ｑ１は非導通となる可能性が高い。一方、海水のように電解質が多量に溶け込んでいる場合、電気抵抗は真水に比べて小さい。そのため、第１コネクタ１０と第２コネクタ１１が至近距離に設けられていれば、海水を介して電流が流れ、遮断回路９の半導体スイッチ素子Ｑ１のゲート電極にゲート−ドレイン電圧閾値以上の電圧が印加され、半導体スイッチ素子Ｑ１が導通したままとなる虞がある。従って、第１コネクタ１０と第２コネクタ１１を、仮に海水中に水没したとしても所定の電気抵抗を発生するように所定距離を隔てて設けておけば、遮断回路９の半導体スイッチ素子Ｑ１のゲート電極にゲート−ドレイン電圧閾値以上の電圧が印加されることはなく、半導体スイッチ素子Ｑ１を非導通にすることができる。このような配置は、上記第１コネクタ１０のプラグ２１のジェル状の絶縁性樹脂２４が元々設けられていない場合や、ジェル状の絶縁性樹脂２４が経年変化により劣化している場合などに有効である。

図５は、本実施形態に係る電力供給システムの第３構成例を示す。第３構成例では、図２に示す上記第１構成例と比較して、遮断回路９の具体的構成が異なる。図６（ａ）は、図２に示す遮断回路９における半導体スイッチ素子Ｑ１のゲートに印加される電圧と直流電源２の端子から出力される電圧の関係を示す。一方、図６（ｂ）は、図５に示す遮断回路９における半導体スイッチ素子Ｑ１のゲートに印加される電圧と直流電源２の端子から出力される電圧の関係を示す。図中、Ｖｔｈは半導体スイッチ素子Ｑ１のゲート−ドレイン電圧閾値、ＶＺＤ１はツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧を表す。また、Ｖｓは直流電源２の端子から出力される電圧を示す。なお、以下の説明において、半導体スイッチ素子Ｑ１のゲート電極に印加される電圧をゲート電圧とする。

図６（ａ）に示すように、図２に示す遮断回路９の構成の場合、例えば直流電源２が太陽電池パネルであって、その発電量が少ないときでも、半導体スイッチ素子Ｑ１のゲート電極にゲート−ドレイン電圧閾値Ｖｔｈよりも高いゲート電圧が印加されると、半導体スイッチ素子Ｑ１が導通する。半導体スイッチ素子Ｑ１として用いられるＦＥＴは、ゲート電圧が高いほどオン抵抗が小さく、換言すれば、ゲート電圧が低いときはオン抵抗が大きく、半導体スイッチ素子Ｑ１による損失が大きく、半導体スイッチ素子Ｑ１の発熱量が多い。図５に示す第３構成例では、半導体スイッチ素子Ｑ１のゲートに制御スイッチ素子Ｑ２を接続すると共に、制御スイッチ素子Ｑ２のゲートにコンパレータＣＯＭ１を接続している。そのため、コンパレータＣＯＭ１に入力される電圧が所定の閾値に達するまで制御スイッチ素子Ｑ２が導通し、半導体スイッチ素子Ｑ１は導通しない。そのため、図６（ｂ）に示すように、半導体スイッチ素子Ｑ１の損失が大きい領域では半導体スイッチ素子Ｑ１が非導通（オフ）であり、半導体スイッチ素子Ｑ１による損失や発熱は生じない。もちろん、その間、直流電源２の端子からも電力は出力されない。コンパレータＣＯＭ１に入力される電圧が所定の閾値に達すると制御スイッチ素子Ｑ２が非導通（オフ）となり、半導体スイッチ素子Ｑ１が導通（オン）する。そして直流電源２の端子から電力が出力される。半導体スイッチ素子Ｑ１を導通させる電圧閾値は、抵抗体Ｒ２、Ｒ５及びＲ６の抵抗値を適宜選択することによって任意の値に設定することができる。

なお、本発明に係る電力供給システムにおいて、直流電源、第１電力出力線、第２電力出力線、断線検出線、断線検出回路、遮断回路及び第１コネクタの設置場所は、特に限定されない。要は、第１電力出力線に引っ張り力が加えられたときに、第１コネクタを構成するプラグとソケットが外れ、それによって断線検出回路が第１電力出力線が断線したことを検出し、遮断回路が直流電源と第２電力出力線の導通を遮断するように構成されていればよい。このようなきわめて簡単な構成により、大規模な災害発生時に、太陽電池パネルや蓄電池などの直流電源から電力の出力を停止することができる。

１電力供給システム
２直流電源
４パワーコンディショナ
５第１電力出力線
６第２電力出力線
７断線検出線
８断線検出回路
９遮断回路
１０第１コネクタ
１１第２コネクタ
１２インバータ回路

Claims

直流電源からの電力を出力するための第１電力出力線及び第２電力出力線と、
前記第１電力出力線の断線を検出するための断線検出線と、
前記第１電力出力線と前記断線検出線との間に接続され、前記第１電力出力線の断線を検出するための断線検出回路と、
前記直流電源と、前記断線検出線と、前記第２電力出力線に接続され、前記断線検出回路が前記第１電力出力線の断線を検出していないときに、前記直流電源と前記第２電力出力線の導通を確保し、前記断線検出回路が前記第１電力出力線の断線を検出したときに、前記直流電源と前記第２電力出力線の導通を遮断する遮断回路と、
前記直流電源と前記断線検出回路との間の前記第１電力出力線に設けられた第１コネクタと、
少なくとも前記断線検出回路と前記遮断回路の間の前記断線検出線に、前記第１コネクタとは別の場所に設けられた第２コネクタとを備え、
前記第１コネクタ及び前記第２コネクタはプラグとソケットで構成され、前記第１電力出力線又は前記断線検出線に引っ張り力が加えられたときに、前記プラグと前記ソケットが外れるように構成されていることを特徴とする電力供給システム。
前記直流電源は太陽電池パネルであり、
前記遮断回路は、前記直流電源と前記第２電力出力線との間に接続された半導体スイッチ素子と、前記半導体スイッチ素子のゲート電極に接続された制御スイッチ素子であって、前記制御スイッチ素子が導通している間前記半導体スイッチ素子を非導通とし、前記制御スイッチ素子が非導通になると前記半導体スイッチ素子を導通させるものと、前記制御スイッチ素子のゲート電極に接続され、その入力電圧が所定の閾値に達すると前記制御スイッチ素子を非導通にするコンパレータを備え、
前記断線検出回路は、前記コンパレータに前記入力電圧を入力するための電圧発生回路であることを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
前記第１コネクタと前記第２コネクタは、所定距離を隔てて設けられ、前記所定の距離は、前記第１コネクタと前記第２コネクタが海水中にある場合に、所定の電気抵抗を発生するように設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力供給システム。
前記第１コネクタの前記プラグは、前記プラグと前記ソケットが外れたときに、その導体部分が絶縁性のジェル状樹脂によって覆われるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の電力供給システム。