JP6090524B1 - 電力融通システム - Google Patents

Abstract

【課題】二つの直流母線の間で直流電力を効率良く融通可能とした電力融通システムを提供する。【解決手段】直流母線１０，２０の間に接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ３０Ａ，……を動作させて直流母線１０，２０の相互間で直流電力を融通する電力融通システムにおいて、Ｃ−ＤＣコンバータ３０Ａ，……は、直流母線１０に直流側が接続された双方向電力変換装置３１と、直流母線２０に直流側が接続された双方向電力変換装置３２と、双方向電力変換装置３１の交流側に一端が接続された巻線３３ａと、双方向電力変換装置の交流側に一端が接続され、かつ、巻線３３ａと絶縁されて磁気的に結合された巻線３３ｂと、を備え、巻線３３ａ，３３ｂの他端同士を、変圧器４１を介して誤差吸収用の負荷４５に接続した。【選択図】図１

Description

この発明は、二つの直流母線間で直流電力を融通する電力融通システムに関し、例えば、各直流母線に異種の蓄電池がそれぞれ接続されている場合に、各直流母線を介して蓄電池を充放電するためのシステムに関するものである。

図４は、特許文献１に記載された電力系統接続システムの構成図である。
図４において、１は主電源電力系統、２は直列変圧器、３は連系変圧器、４は主電源電力系統１に対して互いに並列接続された複数の分散電源電力系統、ＣＯＮＶはコンバータ、ＳＶＧは無効電力補償装置である。ここで、主電源電力系統１は主電源ＬＧ_１，ＬＧ_２，ＬＧ_３及び遮断器ＣＢを備え、分散電源電力系統４はコンデンサ５、蓄電池６，７、インバータＩＮＶ_ａ，ＩＮＶ_ｂ、独自電源ＳＧ、自己負荷８及び直流配電線９を備えている。

この従来技術において、分散電源電力系統４では、独自電源ＳＧによる発電電力をインバータＩＮＶ_ａにより直流電力に変換して直流配電線９に供給すると共に、蓄電池６，７の直流電力を直流配電線９に供給し、これらの直流電力をインバータＩＮＶ_ｂにより交流電力に変換して自己負荷８に供給する。
自己負荷８の消費電力が増加して独自電源ＳＧだけでは賄いきれず、あるいは主電源電力系統１による電力料金の方が割安であるような場合には、主電源電力系統１の余剰交流電力をコンバータＣＯＮＶにより直流電力に変換して直流配電線９に供給し、前記同様にインバータＩＮＶ_ｂを介して自己負荷８に供給すると共に、必要に応じて蓄電池６，７を充電する。

なお、分散電源電力系統４の余剰電力をコンバータＣＯＮＶにより交流電力に変換して主電源電力系統１に融通給電している際に、例えば主電源ＬＧ_１と遮断器ＣＢとの接続点で短絡故障等が発生した場合には、コンバータＣＯＮＶの交流側電圧が低下してコンバータＣＯＮＶが動作を停止し、その入出力側が電気的に絶縁されるので、分散電源電力系統４からの電流が主電源電力系統１内の事故点に流入するおそれはない。主電源電力系統１が停電した場合にも、コンバータＣＯＮＶが動作を停止してその入出力側が電気的に絶縁され、分散電源電力系統４では独自電源ＳＧによって自己負荷８への給電が継続される。

特開２００３−１７４７２７号公報（段落［００４０］〜［００４７］、図１等）

図４に示した電力系統接続システムは、交流の主電源電力系統１と直流の分散電源電力系統４とを変圧器２，３やコンバータＣＯＮＶ等を介して接続することにより、電力を相互に融通可能としたものである。
しかしながら、この特許文献１には、二つの直流母線間で電力を融通するようなシステムが開示されておらず、例えば、各直流母線にそれぞれ接続された異種の蓄電池間で直流電力を融通するような場合にそのまま適用することができない。
また、接続された二つの直流母線間の電力融通は、交流系統を介して行うことも考えられるが、交流系統に短絡故障、地絡故障等が発生した場合には電力融通が不可能になる。

そこで、本発明の解決課題は、二つの直流母線の間で直流電力を効率良く融通可能とした電力融通システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、第１，第２の直流母線の間に接続されたＤＣ−ＤＣコンバータを動作させて前記第１，第２の直流母線の相互間で直流電力を融通する電力融通システムにおいて、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、
前記第１の直流母線に直流側が接続され、かつ、直流／交流変換及び交流／直流変換が可能な第１の双方向電力変換装置と、
前記第２の直流母線に直流側が接続され、かつ、直流／交流変換及び交流／直流変換が可能な第２の双方向電力変換装置と、
前記第１の双方向電力変換装置の交流側に一端が接続された第１の巻線と、
前記第２の双方向電力変換装置の交流側に一端が接続され、かつ、前記第１の巻線と絶縁されて磁気的に結合された第２の巻線と、を備え、
前記第１の巻線の他端及び前記第２の巻線の他端を、変圧器を介して誤差吸収用の負荷に接続したものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した電力融通システムにおいて、前記第１，第２の直流母線には、異種の蓄電装置がそれぞれ接続されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した電力融通システムにおいて、前記変圧器には交流電源が接続されており、前記交流電源の周波数を用いて前記第１，第２の双方向電力変換装置の動作を同期させるものである。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載した電力融通システムにおいて、前記交流電源の交流電力を交流／直流変換装置により直流電力に変換して前記第１，第２の直流母線に供給するものである。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載した電力融通システムにおいて、前記交流電源と前記交流／直流変換装置との接続点に無停電電源装置を接続したものである。

本発明によれば、交流系統を介在させずに二つの直流母線間で直流電力を融通することができるため、交流系統の状態に作用されることなく、例えば異種の蓄電池間での直流電力の授受（充放電）が可能である。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ内の絶縁変圧器を構成する各巻線の電流の不平衡に起因した誤差を負荷が吸収することで、電力融通を効率良く行うことができる。

本発明の実施形態を示す構成図である。 本発明の実施例を示す主要部の回路図である。 本発明の実施例を示す主要部の回路図である。 特許文献１に記載された電力系統接続システムの構成図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態の構成を動作と共に説明する。
図１は、この実施形態に係る電力融通システムの主要部の構成図である。図１において、１０は第１の直流母線、１１は直流母線１０に接続された第１の蓄電池、２０は第２の直流母線、２１は直流母線２０に接続された第２の蓄電池である。

図１には示されていないが、直流母線１０，２０には、蓄電池１１，２１を充電するための充電設備が接続されている。この充電設備は、直流母線１０，２０に所定の大きさの直流電圧を供給可能であればいかなる構成のものでも良く、例えば、上位の交流電源系統の交流電圧、または、自然エネルギー（太陽光、風力等）発電装置の直流出力電圧を変換して得た交流電圧を、変圧器及び交流／直流変換装置等を介して直流電圧に変換するシステム等であり得る。

直流母線１０，２０の電圧は同一であっても良いし、異なる値であっても良い。また、第１，第２の蓄電池１１，２１は、例えば一方がナトリウム・硫黄（ＮＡＳ：登録商標）蓄電池であり、他方がリチウムイオン蓄電池のように異種のものを想定しているが、同種の蓄電池であっても良い。勿論、鉛蓄電池を用いても良く、蓄電池以外の蓄電装置として電気二重層キャパシタ等を用いても良い。

直流母線１０，２０の間には、複数台のＤＣ／ＤＣコンバータ３０Ａ，３０Ｂ，……，３０Ｎが互いに並列に接続されている。これらは何れも同一の構成、容量（例えば１００［ｋＶＡ］）を有し、第１の直流母線１０にＬＣフィルタ３４を介して直流側が接続された第１の双方向電力変換装置３１と、第２の直流母線２０にＬＣフィルタ３５を介して直流側が接続された第２の双方向電力変換装置３２と、双方向電力変換装置３１，３２の交流側に第１，第２の巻線３３ａ，３３ｂがそれぞれ接続された絶縁変圧器３３と、を備えている。絶縁変圧器３３の巻線３３ａ，３３ｂは互いに絶縁されていると共に磁気的に結合されており、双方向電力変換装置３１，３２は巻線３３ａ，３３ｂを介して交流電力を授受可能である。

ここで、双方向電力変換装置３１，３２は直流／交流変換及び交流／直流変換が可能であり、以下では、これらの双方向電力変換装置３１，３２を単に電力変換装置３１，３２ともいう。
なお、電力変換装置３１，３２の交流側及び絶縁変圧器３３は何れも三相であるが、図１では便宜的に単線図にて示している。

直流母線１０，２０の相互間での電力融通時において、直流母線１０から直流母線２０側へ直流電力を供給する場合には、電力変換装置３１を直流／交流変換動作させ、電力変換装置３２を交流／直流変換動作させる。これとは逆に、直流母線２０から直流母線１０側へ直流電力を供給する場合には、電力変換装置３２を直流／交流変換動作させ、電力変換装置３１を交流／直流変換動作させる。このように、電力融通時には２台の電力変換装置３１，３２をペアにして動作させるようになっている。
なお、絶縁変圧器３３は、電力融通時には巻線３３ａ，３３ｂによる磁束が打ち消し合ってインダクタンスが最小になると共に、電力融通時以外では磁束が強め合い、最大電流値にて磁気飽和しないように構成されている。

直流母線１０，２０間の電力の融通は、何れかの蓄電池１１，２１の充電設備が使用できない場合（交流電源の停電時や交流系統の故障時、自然エネルギー発電装置の出力低下時等）に、一方の直流母線から他方の直流母線に電力を供給して蓄電池を充電する運用を可能にする。また、蓄電池１１，２１の種類によっては定期的に充電または放電を行って蓄電池を活性化することがメンテナンス上、求められるため、このような場合にも直流母線１０，２０間での電力融通が有効である。

図１における全ての絶縁変圧器３３の巻線３３ａ，３３ｂの一端（電力変換装置３１，３２に接続されていない側）は共通接続され、変圧器（三巻線変圧器）４１を介して電磁接触器４２及び開閉器４３の各一端に接続されている。電磁接触器４２の他端には交流電源（商用電源）５０と電磁接触器４６の一端とが接続され、電磁接触器４６の他端と開閉器４３の他端とは一括して負荷変圧器４４を介して負荷４５に接続されている。

交流電源５０は、電磁接触器４２のオン時に全ての電力変換装置３１，３２のスイッチング動作を同期させるための周波数情報を絶縁変圧器３３を介して電力変換装置３１，３２に与えているが、交流電源５０を用いずに、適宜な通信手段によって共通の基準周波数情報を各電力変換装置３１，３２に送信し、これらの動作を同期させても良い。

また、絶縁変圧器３３の巻線３３ａ，３３ｂの巻数の不均一などに起因して各巻線３３ａ，３３ｂを流れる電流が平衡状態にならず、誤差が発生することがあるので、この誤差によるエネルギーを吸収するために開閉器４３をオンさせて負荷４５を接続するように構成されている。この負荷４５は、例えば比較的小容量の照明設備等である。
なお、電磁接触器４６は、必要に応じて交流電源５０から負荷４５に給電するためのものである。

次に、図２，図３は、上記実施形態を具体化した実施例の主要部を示す回路図であり、図１と同一機能を有する部分については同一符号を付してある。
図２では、直流母線１０，２０間に１台のＤＣ／ＤＣコンバータ３０のみが接続されているが、図１に示したごとく複数台のＤＣ／ＤＣコンバータを並列に接続しても良い。同様に、図２における蓄電池１１，２１の数（並列接続数）もあくまで例示的なものである。

図２に示すように、直流母線１０，２０は、直流遮断器１６，２６を介して上位の交流／直流変換装置５１，５２（図３を参照）の直流側にそれぞれ接続されている。これらの交流／直流変換装置５１，５２は、例えば、高圧電源である前記交流電源５０の下位に接続されて交流電圧を直流電圧に変換するものである。
なお、図３にカッコ書きした交流電圧値、直流電圧値等はあくまで一例に過ぎない。

図２において、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は直流遮断器１７を介して直流母線１０に接続され、蓄電池１１は直流遮断器１８を介して直流母線１０に接続されている。更に、蓄電池２１は直流遮断器２７を介して直流母線２０に接続されている。
なお、１２，１３，１５，２２，２３は直流遮断器１６，１７，１８，２６，２７をそれぞれ動作させるための電圧・電流検出装置、１４，２４は漏電遮断器、４７は電力品質測定装置、４８は無停電電源装置である。

この実施例において、直流母線１０，２０間の電力融通動作は図１について説明したものと同様であるが、例えば交流電源５０の停電時には、無停電電源装置４８から出力される交流電力を負荷変圧器４４及び電磁接触器４６を介して上位の交流／直流変換装置５２の交流側に供給し、その直流出力を直流母線２０に供給することができる。
これにより、交流電源５０の停電時にも直流母線２０を介して蓄電池２１を充電することができ、蓄電池２１の直流電力を用いて、直流母線２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０及び直流母線１０を介し蓄電池１１を充電することが可能である。

本発明は、ナトリウム・硫黄蓄電池、リチウムイオン蓄電池、鉛蓄電池等の蓄電池を含む蓄電装置がそれぞれ接続された二つの直流母線の相互間における電力融通に適用することができ、いわゆるバッテリーステーション、充電ステーション等に利用可能である。

１０，２０：直流母線
１１，２１：蓄電池
１２，１３，１５，２２，２３：電圧・電流検出装置
１４，２４：漏電遮断器
１６，１７，１８，２６，２７：直流遮断器
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｎ：ＤＣ／ＤＣコンバータ
３１，３２：双方向電力変換装置
３３：絶縁変圧器
３４，３５：ＬＣフィルタ
４１：変圧器
４２，４６：電磁接触器
４３：開閉器
４４：負荷変圧器
４５：負荷
４７：電力品質測定装置
４８：無停電電源装置
５０：交流電源
５１，５２：交流／直流変換装置

Claims (5)

1. 第１，第２の直流母線の間に接続されたＤＣ−ＤＣコンバータを動作させて前記第１，第２の直流母線の相互間で直流電力を融通する電力融通システムにおいて、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、
   前記第１の直流母線に直流側が接続され、かつ、直流／交流変換及び交流／直流変換が可能な第１の双方向電力変換装置と、
   前記第２の直流母線に直流側が接続され、かつ、直流／交流変換及び交流／直流変換が可能な第２の双方向電力変換装置と、
   前記第１の双方向電力変換装置の交流側に一端が接続された第１の巻線と、
   前記第２の双方向電力変換装置の交流側に一端が接続され、かつ、前記第１の巻線と絶縁されて磁気的に結合された第２の巻線と、
   を備え、
   前記第１の巻線の他端及び前記第２の巻線の他端を、変圧器を介して誤差吸収用の負荷に接続したことを特徴とする電力融通システム。
2. 請求項１に記載した電力融通システムにおいて、
   前記第１，第２の直流母線には、異種の蓄電装置がそれぞれ接続されていることを特徴とした電力融通システム。
3. 請求項１または２に記載した電力融通システムにおいて、
   前記変圧器には交流電源が接続されており、前記交流電源の周波数を用いて前記第１，第２の双方向電力変換装置の動作を同期させることを特徴とした電力融通システム。
4. 請求項３に記載した電力融通システムにおいて、
   前記交流電源の交流電力を交流／直流変換装置により直流電力に変換して前記第１，第２の直流母線に供給することを特徴とした電力融通システム。
5. 請求項４に記載した電力融通システムにおいて、
   前記交流電源と前記交流／直流変換装置との接続点に無停電電源装置を接続したことを特徴とする電力融通システム。

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