JP6089205B2

JP6089205B2 - 発電システム

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Publication number: JP6089205B2
Application number: JP2012219107A
Authority: JP
Inventors: 裕章加来; 忍懸; 洋永里; 中山　淳; 淳中山
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-10-01
Filing date: 2012-10-01
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2032-10-01
Also published as: JP2014073035A

Description

本発明は、２つ以上の分散型発電装置が併設して商用電源に接続される発電システムに関するものである。

従来、この種の発電システムは、例えば図４に示す構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

以下に、特許文献１に示されている発電システムについて説明する。

図４は、従来の発電システムのブロック図である。

図４に示すように、発電システムは、発電ユニット２と、交流電源装置１０と、第１センサ１２と、第２センサ２１とを備えて構成されている。

発電ユニット２は、ガスエンジンによって駆動される発電機４と、発電機４の発電出力を交流電力に変換するインバータ５と、発電ユニット２の運転ならびに出力制御を行なう出力制御部７を備えて構成される。

交流電源装置１０は、単相３線式正弦波出力の無停電電源装置１１と、無停電電源装置１１の出力ラインに設けられた無停電電源装置１１の出力電力を検出するための第１センサ１２と、３個のスイッチＳＷ１〜ＳＷ３と、１つの電力入力端子Ｉｐと、３つの電力出力端子Ｏｐ１〜Ｏｐ３と、１つの信号入力端子Ｉｓと、および１つの出力端子Ｏｓとを備えて構成されている。

第１センサ１２は、無停電電源装置１１の出力ライン（単相３線式）の２本の電圧線に対し、夫々電流トランスを１個ずつ設けて構成されている。よって、第１センサ１２は、無停電電源装置１１の出力電流値、つまり、無停電電源装置１１より下流側にある負荷の全消費電流を検出する。

第２センサ２１は、商用交流電源ＰＳの第１分電盤２２に入力する入力ライン上に設けられており、商用交流電源ＰＳの入力ライン（単相３線式）の２本の電圧線に対して、夫々電流トランスを１個ずつ設けて構成されている。よって、第２センサ２１は、商用交流電源ＰＳの入力電流値、つまり、第２センサ２１より下流側にある負荷の全消費電流を検出する。

第２センサ２１の検出出力は、交流電源装置１０の信号入力端子Ｉｓに接続される。また、交流電源装置１０の信号出力端子Ｏｓと発電ユニット２の出力制御部７が接続され、第１センサ１２または第２センサ２１の何れか一方の検出信号がスイッチＳＷ３によって選択され、信号出力端子Ｏｓを経由して、出力制御部７に入力される。

以上のように構成された発電システムは、商用交流電源ＰＳが正常時には、第２センサ２１の検出信号が出力制御部７に入力され、出力制御部７は同時に発電ユニット２の出力ラインにかかる電圧つまり商用交流電源ＰＳの電圧値を測定し、第２センサ２１の検出信号から得られる商用交流電源ＰＳの電流値から電力を計算し、商用交流電源ＰＳ側への逆潮流とならないように発電ユニット２の出力制御を行う。

商用交流電源ＰＳが停電時は、第１センサ１２の検出信号が出力制御部７に入力され、出力制御部７は同時に発電ユニット２の出力ラインにかかる電圧つまり無停電電源装置１１の電圧値を測定し、第１センサ１２の検出信号から得られる無停電電源装置１１の電流値から電力を計算し、無停電電源装置１１側への逆潮流とならないように発電ユニット２の出力制御を行う。

特開２００４―２４２４５８号公報

しかしながら、前記従来の構成では、商用交流電源ＰＳの状態において、第１センサ１２、または第２センサ２１のいずれか一方の検出信号が発電ユニット２の出力制御部７に入力されると同時に、他方のセンサの検出信号は非入力状態となる。つまり、非入力状態の電流センサは、電流トランスの２次側が開放状態となるため、１次電流が流れると２次電流を流そうとして２次側に高電圧が発生し、電流センサが破損してしまうという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、電流センサの検出信号が非入力状態においても電流トランスの２次側が開放状態とならないように負荷抵抗を接続する構成とすることで、電流トランスの１次側に電流が流れても２次側に高電圧が発生することがないため、電流センサの破損を防ぐことができる発電システムを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の発電システムは、交流出力が可能な交流電源装置と、商用電源の正常時においては商用電源と連系し、前記商用電源の停電時においては前記交流電源装置と連系して、交流電力を出力する発電装置と、前記商用電源と前記発電装置との間の電線に流れる電流を検出する第１電流センサと、前記交流電源装置と前記発電装置との間の電線に流れる電流を検出する第２電流センサと、前記商用電源の正常時においては前記第１電流センサの検出信号を前記発電装置へ入力し、前記商用電源の停電時においては前記第２電流センサの検出信号を前記発電装置へ入力するよう切り替えを行う電流センサ切替器と、前記第１センサの検出信号の両端、または、前記第２センサの検出信号の両端のいずれか一方に選択的に接続される負荷抵抗と、前記商用電源の正常時
においては前記第２センサの検出信号の両端に前記負荷抵抗を接続し、前記商用電源の停電時においては前記第１センサの検出信号の両端に前記負荷抵抗を接続するように切り替えを行なうスイッチを備えたものである。

これによって、電流センサの検出信号が非入力状態においても電流トランスの２次側が開放状態とならないように負荷抵抗を接続する構成とすることで、電流トランスの１次側に電流が流れても２次側に高電圧が発生することがないため、電流センサの破損を防ぐことができる。

本発明の発電システムは、電流センサの検出信号が非入力状態においても電流トランスの２次側が開放状態とならないように負荷抵抗を接続する構成とすることで、電流トランスの１次側に電流が流れても２次側に高電圧が発生することがないため、電流センサの破損を防ぐことができる。

本発明の実施の形態１における発電システムのブロック図同実施の形態における電流、電力検出の詳細図と周辺図本発明の実施の形態２における発電システムのブロック図従来の発電システムのブロック図

第１の発明は、交流出力が可能な交流電源装置と、商用電源の正常時においては商用電源と連系し、前記商用電源の停電時においては前記交流電源装置と連系して、交流電力を出力する発電装置と、前記商用電源と前記発電装置との間の電線に流れる電流を検出する第１電流センサと、前記交流電源装置と前記発電装置との間の電線に流れる電流を検出する第２電流センサと、前記商用電源の正常時においては前記第１電流センサの検出信号を前記発電装置へ入力し、前記商用電源の停電時においては前記第２電流センサの検出信号を前記発電装置へ入力するよう切り替えを行う電流センサ切替器と、前記第１センサの検出信号の両端、または、前記第２センサの検出信号の両端のいずれか一方に選択的に接続される負荷抵抗と、前記商用電源の正常時においては前記第２センサの検出信号の両端に前記負荷抵抗を接続し、前記商用電源の停電時においては前記第１センサの検出信号の両端に前記負荷抵抗を接続するように切り替えを行なうスイッチを備えた構成とする。これにより、電流センサの検出信号が非入力状態においても電流トランスの２次側が開放状態とならないように負荷抵抗を接続する構成とすることで、電流トランスの１次側に電流が流れても２次側に高電圧が発生することがないため、電流センサの破損を防ぐことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるのもではない。

（実施の形態１）
以下に、本発明の実施の形態１における発電システムについて、詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態１における発電システムのブロック図である。また、図２は、同実施の形態における電流、電力検出の詳細図と周辺図である。

図１には、商用電源１０１と、交流電源装置１０２と、発電装置１０３と、第１分電盤１０９と、第２分電盤１１２と、第１電流センサ１０４と、第２電流センサ１０５と、商用電源接続器１０６と、電源切替器１０７と、電流センサ切替器１０８とを図示している。

ここで、商用電源１０１は、単相三線式の交流電源である。

第１分電盤１０９は、商用電源１０１と、商用電源接続器１０６、電源切替器１０７を介して発電装置１０３とが接続されている。また、商用電源１０１と発電装置１０３が供給する電力を消費する、一般家庭内で使用されるテレビ、エアコンなどの負荷１１０が接続されている。ここで、商用電源接続器１０６は、商用電源１０１の状態に応じて、商用電源１０１と発電装置１０３の電源ラインを接続／切断するものである。また、電源切替器１０７は、商用電源１０１の状態に応じて発電装置１０３を、商用電源１０１、交流電源装置１０２のいずれか一方に接続切替するものである。

第２分電盤１１２は、電源切替器１０７を介して商用電源１０１または交流電源装置１０２と、発電装置１０３とが接続される。また、商用電源１０１、または交流電源装置１０２、発電装置１０３が供給する電力を消費する、一般家庭内で使用されるテレビ、エアコンなどの負荷１１１が接続されている。

第１電流センサ１０４はクランプ式電流センサであり、商用電源１０１が第１分電盤１０９に入力する入力ライン上に設けられており、商用電源１０１の入力ライン（単相３線式）の２本の電圧線に対して、夫々電流トランスを１個ずつ設けて構成されている。よって、第１電流センサ１０４は、商用電源１０１の電流値、つまり、第１電流センサ１０４より下流側にある負荷の全消費電流を検出する。

第２電流センサ１０５はクランプ式電流センサであり、交流電源装置１０２の出力ライン（単相３線式）の２本の電圧線に対し、夫々電流トランスを１個ずつ設けて構成されている。よって、第２電流センサ１０５は、交流電源装置１０２の電流値、つまり、交流電源装置１０２より下流側にある負荷の全消費電流を検出する。

電流センサ切替器１０８は、商用電源１０１が正常時には第１電流センサ１０４の検出信号が、商用電源１０１が停電時には第２電流センサ１０５の検出信号が発電装置１０３の出力制御器１１６に入力されるように切り替えるものである。

発電装置１０３は、発電器１１４と、電力変換器１１５と、出力制御器１１６とから少なくとも構成される。

ここで、発電器１１４は、燃料電池などで構成され直流電力を生成する。
電力変換器１１５は、絶縁トランスを含む構成を有し、発電器１１４が生成する直流電圧を変圧した後、負荷１１０、１１１で消費可能な交流へ変換する。

出力制御器１１６は、電流センサ切替器１０８を介して接続される第１電流センサ１０４、または第２電流センサ１０５からの電流値と、図示しない電圧センサからの電圧値より電力を演算すると共に、発電器１１４や、電力変換器１１５の出力を制御する。出力制御器１１６は、演算処理機能を備えるものであればよい。出力制御器１１６として、マイクロコントローラ、ＣＰＵ、ＭＰＵ、論理回路、ＰＬＣ（ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＬｏｇｉｃＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）等が例示される。

図２には、第１電流センサ１０４と、第２電流センサ１０５と、電流センサ切替器１０８と、発電装置１０３の出力制御器１１６と、負荷抵抗１１７とを備えている。

ここで、負荷抵抗１１７は、第１電流センサ１０４、第２電流センサ１０５において、電流センサ切替器１０８より電流トランス側の検出信号の両端に接続される。

以上のように構成された発電システムの動作および作用について、図１、２を用いて説明する。

まず、図２を用いて具体的に発電装置１０３の出力制御器１１６による電力演算について説明する。

発電装置１０３の出力制御部１１６は、電圧センサ１１６ｃにて商用電源１０１、または交流電源装置１０２が生成する交流電圧を分圧することで電圧値を検出すると共に、第１電流センサ１０４、または第２電流センサ１０５からの検出信号をもとに、各々の電線上に電流が流れた際に電流トランスの２次側に発生する２次電流と負荷抵抗１１６ａと負荷抵抗１１７の合成抵抗によって決まる電圧をもとに電流値を検出する。

そして、検出する電圧値と、電流値を乗算器１１６ｄにて積算し、ゼロ以上の正の交流信号とした後、フィルタ回路１１６ｅにて直流信号とする。この直流信号を信号増幅回路
１１６ｆにて増幅し、デジタルアイソレーションアンプ１１６ｇによって制御部１１６ｉのＡ／Ｄ入力ポートに入力可能な絶縁増幅された直流信号とする。さらに、信号増幅回路１１６ｈにて増幅し、制御部１１６ｉのＡ／Ｄ入力ポートに入力する。これらの構成により出力制御器１１６は、電力を演算する。

次に図１、２を用いて、発電システムの動作を説明する。

商用電源１０１が通常時、交流電源装置１０２は、商用電源接続器１０６をＯＮ、電源切替器１０７により商用電源１０１と発電装置１０３とを接続する。また、電流センサ切替器１０８により発電装置１０３の出力制御器１１６が第１分電盤１０９の入力電力を計測できるようにするため、第１電流センサ１０４の検出信号を発電装置１０３に入力されるようにし、第２電流センサ１０５の検出信号を非入力状態とする。

発電装置１０３の出力制御器１１６は、第１電流センサ１０４の電流値をもとに電力需要を算出し、所定の単位時間で発電装置１０３の運転を計画する。この所定の単位時間とは、例えば１日単位から週単位といった長い期間でもよい。一例として、１日単位で使用者の家庭における電力需要のデータを収集し、最も需要が大きい時間帯を見計らって運転が行われるように運転開始時刻と終了時刻を算出する。そして、運転計画に基づき、商用電源１０１からの電力供給により起動し、発電後は、電力需要に応じて出力電力を変化させると共に、商用電源１０１へ逆潮流しないように出力制御する。

このとき、第２電流センサ１０５の検出信号は、発電装置１０３の出力制御器１１６に入力されない、非入力状態となる。このような状態において、例えば、施工者が誤って交流電源装置１０２の出力電力が検出可能な電源切替器１０７において発電装置１０３側に第２電流センサをクランプした場合、負荷１１１の動作状況によって第２電流センサ１０５がクランプしている電線上において１次電流が流れ、電流トランスの２次側に２次電流が発生する。しかし、検出信号の両端に負荷抵抗１１７が接続されているため、電流トランスの２次側に高電圧が発生しない。

次に商用電源１０１が停電時について説明する。

交流電源装置１０２は商用電源１０１の停電を検知すると、商用電源接続器１０７をＯＦＦすることで商用電源１０１と発電装置１０３と切り離すと共に、電源切替器１０７により交流電源装置１０２と発電装置１０３を接続する。また、電流センサ切替器１０８により発電装置１０３の出力制御器１１６が交流電源装置１０２の出力電力を計測できるようにするため、第２電流センサ１０５の検出信号を発電装置１０３に入力されるようにし、第１電流センサ１０４の検出信号を非入力状態とする。そして、発電装置１０３の出力制御器１１６は、交流電源装置１０２からの電力供給により起動し、発電後は、交流電源装置１０２へ逆潮流しないように出力制御する。

このとき、第１電流センサ１０４の検出信号は、発電装置１０３の出力制御器１１６に入力されない、非入力状態となる。このような状態において、例えば、商用電源１０１が正常となり、第１分電盤１０９の負荷１１０に電力供給を開始すると場合、負荷１１１の動作状況によって第１電流センサ１０４がクランプしている電線上において１次電流が流れ、電流トランスの２次側に２次電流が発生する。しかし、検出信号の両端に負荷抵抗１１７が接続されているため、電流トランスの２次側に高電圧が発生しない。

なお、本実施の形態では、商用電源１０１と交流電源装置１０２の２つの交流電源を用いたが、商用電源１０１の代わりに交流電源装置を用いてもかまわない。

また、本実施の形態では、２つ交流電源と、それぞれの入出力電力を計測する２つの電流センサを用いる構成としたが、３つ以上の交流電源と、それぞれの入出力電力を計測する３つの電流センサを用いる構成としてもかまわない。

また、本実施の形態では、電流センサ切替器１０８において、第１電流センサ１０４、第２電流センサ１０５のいずれかが発電装置１０３に入力される構成としたが、発電装置１０３と第１電流センサ１０４の間、発電装置１０３と第２電流センサ１０５の間にスイッチを備える構成とし、スイッチを制御することで第１電流センサ１０４、第２電流センサ１０５のいずれかを発電装置１０３に入力するようにしてもかまわない。このとき、同時に入力状態とならないようにするために、両スイッチ共にＯＦＦする期間を設けてもかまわない。

このとき、発電装置１０３に対して第１電流センサ１０４、第２電流センサ１０５同時に入力されないようにするため、両スイッチ共にＯＦＦする期間を設けてもかまわない。

また、本実施の形態では、スイッチ１１８において、負荷抵抗１１７と、第１電流センサ１０４、第２電流センサ１０５のいずれかが接続される構成としたが、第１電流センサと負荷抵抗、第２電流センサ１０５と負荷抵抗の各々が接続される構成としてもかまわない。

以上のように、本実施の形態においては、第１電流センサ１０４、第２電流センサ１０５の検出信号が非入力状態においても電流トランスの２次側が開放状態とならないように負荷抵抗を接続する構成とすることで、電流トランスの１次側に電流が流れても２次側に高電圧が発生することがないため、電流センサの破損を防ぐことができる。

（実施の形態２）
以下に、本発明の実施の形態２における発電システムについて、詳細に説明する。

図３は、本実施の形態における電流、電力検出の詳細図と周辺図である。

ここで、図３は、図２とは、第１電流センサ１０４、または第２電流センサ１０５のいずれかに検出信号の両端に負荷抵抗１１７を接続するスイッチを備えていることが異なる。なお、図３において図２と同様の構成要素については同じ符号を付け、説明を省略する。

以下に、本実施の形態の発電システムの動作および作用について、図１、３を用いて説明する。ここで、交流電源装置１０２、発電装置１０３、商用電源接続器１０６、電源切替器１０７、電流センサ切替器１０８の動作については本実施の形態１と同様であるため説明を省略する。

商用電源１０１が正常時、交流電源装置１０２は、スイッチ１１８により第２電流センサ１０５の検出信号の両端に負荷抵抗１１７が接続されるようにする。

第２電流センサ１０５の検出信号は、発電装置１０３の出力制御器１１６に入力されない、非入力状態において、例えば、施工者が誤って交流電源装置１０２の出力電力が検出可能な電源切替器１０７において発電装置１０３側に第２電流センサをクランプした場合、負荷１１１の動作状況によって第２電流センサ１０５がクランプしている電線上において１次電流が流れ、電流トランスの２次側に２次電流が発生する。しかし、検出信号の両端に負荷抵抗１１７が接続されているため、電流トランスの２次側に高電圧が発生しない。

一方、第１電流センサ１０４の検出信号は、スイッチ１１８により負荷抵抗１１７が接続されないため、発電装置１０３の出力制御器１１６は、電線上に電流が流れた際に電流トランスの２次側に発生する２次電流と負荷抵抗１１６ａによって決まる電圧をもとに電流値を検出することになる。つまり、電力演算において、負荷抵抗１１７の抵抗値については考慮する必要がない。

次に、商用電源１０１が停電時の動作について説明する。

交流電源装置１０２は商用電源１０１の停電を検知すると、スイッチ１１８により第１電流センサ１０４の検出信号の両端に負荷抵抗１１７が接続されるようにする。

第１電流センサ１０４の検出信号は、発電装置１０３の出力制御器１１６に入力されない、非入力状態において、例えば、商用電源１０１が正常となり、第１分電盤１０９の負荷１１０に電力供給を開始すると場合、負荷１１１の動作状況によって第１電流センサ１０４がクランプしている電線上において１次電流が流れ、電流トランスの２次側に２次電流が発生する。しかし、検出信号の両端に負荷抵抗１１７が接続されているため、電流トランスの２次側に高電圧が発生しない。

一方、第２電流センサ１０５の検出信号は、スイッチ１１８により負荷抵抗１１７が接続されないため、発電装置１０３の出力制御器１１６は、電線上に電流が流れた際に電流トランスの２次側に発生する２次電流と負荷抵抗１１６ａによって決まる電圧をもとに電流値を検出することになる。つまり、電力演算において、負荷抵抗１１７の抵抗値については考慮する必要がない。

なお、本実施の形態では、スイッチ１１８において、第１電流センサ１０４、第２電流センサ１０５のいずれかが負荷抵抗１１７に接続される構成としたが、第１電流センサ１０４と電流センサ切替器１０８の間、第２電流センサ１０５と電流センサ切替器１０８の間にスイッチを備える構成とし、スイッチを制御することで第１電流センサ１０４、第２電流センサ１０５のいずれかを負荷抵抗１１７に接続するようにしてもかまわない。このとき、負荷抵抗１１７に対して第１電流センサ１０４、第２電流センサ１０５同時に接続されないようにするため、両スイッチ共にＯＦＦする期間を設けてもかまわない。

以上のように、本実施の形態においては、出力制御器１１６は、第１電流センサ１０４、第２電流センサ１０５からの情報をもとに電力演算する際に負荷抵抗１１７を考慮する必要がなく、電流センサの変更による負荷抵抗の変更や、発電装置における電力演算の変更に対して容易に対応することができる。

以上のように、本発明にかかる発電システムは、電流センサの検出信号が非入力状態においても電流トランスの２次側が開放状態とならないように負荷抵抗を接続する構成とすることで、電流トランスの１次側に電流が流れても２次側に高電圧が発生することがなく、電流センサの破損を防ぐことができるため、燃料電池発電装置、太陽光発電装置、風力発電装置、太陽熱発電装置、ガスエンジンなどの発電システム等の用途にも適用することができる。

１０１商用電源
１０２交流電源装置
１０３発電装置
１０４第１電流センサ
１０５第２電流センサ
１０８電流センサ切替器
１１７負荷抵抗
１１８スイッチ

Claims

交流出力が可能な交流電源装置と、
商用電源の正常時においては商用電源と連系し、前記商用電源の停電時においては前記交流電源装置と連系して、交流電力を出力する発電装置と、
前記商用電源と前記発電装置との間の電線に流れる電流を検出する第１電流センサと、
前記交流電源装置と前記発電装置との間の電線に流れる電流を検出する第２電流センサと、
前記商用電源の正常時においては前記第１電流センサの検出信号を前記発電装置へ入力し、前記商用電源の停電時においては前記第２電流センサの検出信号を前記発電装置へ入力するよう切り替えを行う電流センサ切替器と、
前記第１センサの検出信号の両端、または、前記第２センサの検出信号の両端のいずれか一方に選択的に接続される負荷抵抗と、
前記商用電源の正常時においては前記第２センサの検出信号の両端に前記負荷抵抗を接続し、前記商用電源の停電時においては前記第１センサの検出信号の両端に前記負荷抵抗を接続するように切り替えを行なうスイッチを備えた発電システム。