JP6112517B2

JP6112517B2 - 電力変換装置、電源切替装置、住宅及び電力変換方法

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Publication number: JP6112517B2
Application number: JP2015145659A
Authority: JP
Inventors: 和徳畠山; 篠本　洋介; 洋介篠本; 崇山川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-07-23
Filing date: 2015-07-23
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2032-07-30
Also published as: JP2015195722A

Description

本発明は、電力変換装置に関し、さらに詳しくは、電力系統からの電力を交流電力から直流電力へ変換する電力変換装置に関する。

近年、災害による電力供給能力の低下への対策として、エネルギー消費量の削減を目的とする取り組みが重要視されている。このような背景から、太陽光発電システムに代表される分散型の電源システムが普及しつつある（例えば特許文献１乃至３参照）。これらの電源システムには、夜間などに蓄えられた電力を、直流電力から交流電力に変換するための電力変換装置を備えているものがある。

特開２０１２−５３１３号公報特開２０１２−７０５７７号公報特開２０１２−８０６８３号公報

一般家庭に設置される分散型の電源システムの１つである蓄電システムについては、太陽光発電システムを除き、蓄電した電力や発電した電力を、商用の電力系統に潮流させることが禁止されている。そのため、蓄電システムを使用する必要が無い場合には、商用の電力系統と蓄電システムとを切り離すのが一般的である。

しかしながら、商用の電力系統から切り離された蓄電システムを商用の電力系統に接続すると、商用の電力系統と電源システムの間に設置された電力変換装置のコンデンサに比較的大きな突入電流が流れ込む。この突入電流は、電力変換器を構成するコンデンサの静電容量に応じて大きくなる。このため、今後何らかの対策が必要となる。

本発明は、上述の事情の下になされたもので、商用電力系統に電源システムを接続する際に発生する突入電流の増加を抑制することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明に係る電力変換装置は、電力系統と蓄電システム間で電力を変換する電力変換装置であって、前記電力系統と前記蓄電システム間で、電力を、交流電力から直流電力、又は直流電力から交流電力へ変換する変換手段と、前記変換手段の動作を制御する制御手段と、直流電力を蓄えるコンデンサと、前記電力変換装置が、前記蓄電システムへ連系されるときに、予め前記コンデンサを充電する充電手段と、を備え、前記充電手段は、前記コンデンサに蓄積するための電力を蓄える蓄電手段を備え、前記コンデンサ及び前記充電手段は、前記電力系統と前記蓄電システムが有する開閉手段との間に設けられ、前記開閉手段が閉になることによって、前記電力変換装置が前記蓄電システムへ連系され、前記蓄電手段には、前記電力系統及び前記蓄電システムからの電力が供給される。

本発明によれば、商用電力系統に蓄電システムが連系したときに、商用電力系統からコンデンサに流れこむ突入電流の増加が抑制され、結果的に家庭内の電力系統へ流れこむ突入電流の増加が抑制される。

本実施形態に係る住宅の電力系統図である。配電盤のブロック図である。充放電装置のブロック図である。昇圧ユニットのブロック図である。電気自動車の制御系を示すブロック図である。電源切替処理を示すフローチャートである。電源復旧処理を示すフローチャートである。充電されていないコンデンサの端子間電圧の推移を示す図である。充電されていないコンデンサの電流の推移を示す図である。充電されるコンデンサの端子間電圧の推移を示す図である。充電されるコンデンサの電流の推移を示す図である。地絡検出ユニット及び直流電流検出ユニットの配置を示す図である。昇圧回路の変形例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を用いて説明する。図１は住宅１０の電力系統図である。図１に示されるように、住宅１０には電力会社の電力系統（以下、商用電力系統という）が引き込まれている。この商用電力系統には、電力量計２０を介して、配電盤３０が接続されている。住宅１０に設置される電気設備は、配電盤３０を介して、商用電力系統に接続されている

住宅１０には電気設備として、負荷４０、蓄電ユニット４１、及び太陽光発電ユニット７０が設置されている。本実施形態では、電力量計２０と、電力量計２０の二次側に接続される電気設備によって家庭内電力系統が構成される。

負荷４０は、住宅１０で使用される電気機器であり、例えば空調機、冷蔵庫、電子レンジ、洗濯機、テレビ、パーソナルコンピュータ等の家電である。

図２は、配電盤３０のブロック図である。図２に示されるように、配電盤３０は、主幹ブレーカ３１、漏電遮断器３２、コンタクタ３３、複数の漏電ブレーカ３４_１〜３４_Ｎ、複数の分岐ブレーカ３５_１〜３５_Ｎ，３６，３７を備えている。

主幹ブレーカ３１は、商用電力系統と、住宅１０の家庭内電力系統とを分離する遮断器である。この主幹ブレーカ３１は、商用電力系統から家庭内電力系統へ過電流が流れた場合等に、商用電力系統と連系する家庭内電力系統を、商用電力系統から解列する。なお、主幹ブレーカ３１は、電力会社によっては設置されない場合もある。

漏電遮断器３２は、主幹ブレーカ３１の二次側（負荷側）に設けられている。この漏電遮断器３２は、漏電遮断器３２の二次側で漏電が発生した場合にオフとなる。漏電遮断器３２がオフになることで、漏電遮断器３２の二次側の負荷４０が商用電力系統から切り離される。

コンタクタ３３は、漏電遮断器３２の二次側に設けられている。このコンタクタ３３は、充放電装置５０からの開閉指令によって動作し、商用電力系統と家庭内電力系統とを連系し、また解列する。

漏電ブレーカ３４_１〜３４_Ｎは、コンタクタ３３の二次側に相互に並列になった状態で設けられている。これらの漏電ブレーカ３４_１〜３４_Ｎそれぞれは、負荷４０ごとに設けられている。そして、それぞれの漏電ブレーカ３４_１〜３４_Ｎは、二次側に接続される線路や電気設備に地絡が生じた場合に動作する。これにより、家庭内電力系統から負荷４０が切り離される。

分岐ブレーカ３５_１〜３５_Ｎは、漏電ブレーカ３４_１〜３４_Ｎの二次側にそれぞれ接続されている。これらの分岐ブレーカ３５_１〜３５_Ｎそれぞれは、負荷４０_１〜４０_Ｎごとに設けられている。この分岐ブレーカを開閉させることで、電力系統から負荷４０をそれぞれ切り離すことができる。

分岐ブレーカ３６，３７は、漏電ブレーカ３４を介することなく、直接コンタクタ３３の二次側に接続されている。分岐ブレーカ３６の二次側には蓄電ユニット４１が接続されている。また、分岐ブレーカ３７の二次側には太陽光発電ユニット７０が接続されている。

コンタクタ３３の一次側には、電圧検出変圧器ＶＴ１が設けられている。電圧検出変圧器ＶＴ１は、商用電力系統の電圧に比例した電圧の電圧信号Ｖ１を出力する。また、コンタクタ３３の二次側には、変流器ＣＴ１が設けられ、この変流器ＣＴ１の二次側には、変流器ＣＴ２、及び変流器ＣＴ３が設けられている。

変流器ＣＴ１は、漏電遮断器３２を流れる電流の大きさに比例した値の電流信号Ｉ１を出力する。この電流信号Ｉ１の値は、商用電力系統と家庭内電力系統の間を流れる電流の値に比例する。変流器ＣＴ２は、負荷４０へ流入する電流の値と蓄電ユニット４１から流出する電流の値との差に比例した値の電流信号Ｉ２を出力する。変流器ＣＴ３は、太陽光発電ユニット７０から流出する電流の大きさに比例した値の電流信号Ｉ３を出力する。したがって、電流信号Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の値をそれぞれ、ｉ１，ｉ２，ｉ３とすると、式ｉ１＋ｉ３＝ｉ２が成立する。

上述した、主幹ブレーカ３１、漏電遮断器３２、コンタクタ３３、漏電ブレーカ３４_１〜３４_Ｎ，及び分岐ブレーカ３５_１〜３５_Ｎ，３６，３７は、金属製或いは樹脂製の筐体に収容されている。

蓄電ユニット４１は、充放電装置５０と、この充放電装置５０にコネクタ９０を介して接続される電気自動車８０を有している。図３は、充放電装置５０のブロック図である。図３に示されるように、充放電装置５０は、コンタクタ５１、相互に直列に接続された３つの交直変換器５３，５４，５５、各交直変換器５３，５４，５５を駆動する駆動ユニット６１，６２，６３、上記各部を統括的に制御する制御ユニット６６、制御ユニット６６に電力を供給する電力供給ユニット６４、停電時の始動電力が蓄えられたバッテリユニット６５、電力供給ユニット６４に接続された昇圧ユニット６８等を有している。

コンタクタ５１は、配電盤３０に収容された分岐ブレーカ３６の二次側に配置されている。このコンタクタ５１は、制御ユニット６６からの指示に基づいて動作する。コンタクタ５１がオフの場合には、充放電装置５０が負荷４０から切り離され、コンタクタ５１がオンの場合には、充放電装置５０が負荷４０に接続される。

交直変換器５３は、トランジスタ等のスイッチング素子と、トランジスタそれぞれに並列に接続されたダイオードを有する。この交直変換器５３は、コンタクタ５１の二次側に、リアクトル５２Ａ，５２Ｂを介して接続されている。交直変換器５３は、一次側（電力系統側）から供給される交流電力を直流電力に変換する。または、二次側から供給される直流電力を交流電力に変換する。

交直変換器５４は、交直変換器５３と同様に、トランジスタ等のスイッチング素子とダイオードを有している。この交直変換器５４は、交直変換器５３の二次側に接続されている。そして、交直変換器５４は、一次側から供給される直流電力を交流電力に変換する。または、二次側から供給される交流電力を直流電力に変換する。

交直変換器５３と交直変換器５４の間には、各交直変換器５３，５４の端子間電圧を安定させるためのコンデンサ５７が接続されている。

交直変換器５５は、上記交直変換器５３，５４と同様に、トランジスタ等のスイッチング素子とダイオードを有している。この交直変換器５５は、絶縁トランス５８を介して、交直変換器５４の二次側に接続されている。そして、交直変換器５５は、一次側から供給される交流電力を直流電力に変換する。または、二次側から供給される直流電力を交流電力に変換する。交直変換器５５の二次側には、交直変換器５５の端子間電圧を安定させるためのコンデンサ５９が接続されている。

上記絶縁トランス５８は、商用電力系統と蓄電ユニット４１を絶縁する目的で設置されている。絶縁トランス５８が配置されることで、交直変換器５４，５５を用いて、例えば、交直変換器５４の二次側の交流電圧と、交直変換器５５の一次側の交流電圧との位相を調整して、コンデンサ５７の両端電圧よりコンデンサ５９の両端電圧を高くしたり、或いは低くしたりすることができる。逆に、蓄電ユニット４１から電力が供給される場合に、コンデンサ５９の両端電圧よりコンデンサ５７の両端電圧を高くしたり、或いは低くしたりすることができる。

充放電装置５０では、上記交直変換器５３〜５５が協働することで、商用電力系統からの交流電力が直流電力に変換され、電気自動車８０に供給される。また、電気自動車８０からの直流電力が交流電力に変換され、配電盤３０を介して負荷４０に供給される。

駆動ユニット６１，６２，６３は、制御ユニット６６の指示に基づいて、それぞれ交直変換器５３，５４，５５を構成するスイッチング素子を動作させる。駆動ユニット６１〜６３の制御に用いられる電力は、制御ユニット６６から供給される。

ここで、説明の便宜上、充放電装置５０の一次側から二次側に電力が供給されるときの交直変換器５３〜５５の動作を充電動作とし、充放電装置５０の二次側から一次側に電力が供給されるときの交直変換器５３〜５５の動作を放電動作とする。

電力供給ユニット６４は、制御ユニット６６へ電力を供給するためのユニットである。この電力供給ユニット６４には、商用電力系統が整流回路６０を介して接続されている。そのため、整流回路６０によって交流電圧から変換された直流電圧が、電力供給ユニット６４に印加される。この状態のときには、電力供給ユニット６４は、整流回路６０を介して供給される電力を制御ユニット６６へ供給する。同時に、整流回路６０を介して供給される電力をバッテリユニット６５にも供給する。これにより、バッテリユニット６５の充電が行われる。

電力供給ユニット６４は、交直変換器５４の一次側に昇圧ユニット６８を介して接続されている。電力供給ユニット６４は、交直変換器５３が商用電力系統に連系するときに、昇圧ユニット６８に電力を供給する。

電力供給ユニット６４には、バッテリユニット６５が接続されている。そのため、商用電力系統が停電することにより、交直変換器５３〜５５の動作が一次的に停止した場合や、交直変換器５３〜５５の動作が停電発生前から停止していた場合には、電力供給ユニット６４にバッテリユニット６５の直流電圧のみが印加された状態になる。この状態のときには、電力供給ユニット６４は、バッテリユニット６５から供給される電力を制御ユニット６６へ供給する。

バッテリユニット６５は、電解液が充填された複数のセルからなるバッテリを有している。このバッテリユニット６５には、商用電力系統が停電した場合に、交直変換器５３〜５５を始動するための電力が充電される。バッテリユニット６５は、商用電力系統が健全である場合に、整流回路６０を介して供給される電力を蓄電する。

図４は、昇圧ユニット６８のブロック図である。昇圧ユニット６８は、電力供給ユニット６４によって印加される電圧Ｖｉｎを昇圧して、コンデンサ５７に電圧Ｖｏｕｔを印加する。昇圧ユニット６８は、昇圧回路１００と、昇圧回路１００を駆動する駆動ユニット１０１を有している。

昇圧回路１００は、トランジスタとダイオードからなるスイッチング回路１００ａと、ダイオード１００ｂと、コイル１００ｃとから構成されている。そして、スイッチング回路１００ａはコンデンサ５７に対して並列に接続され、ダイオード１００ｂとコイル１００ｃはコンデンサ５７に対して直列に接続されている。

また、コンデンサ５７へ供給される電流は電流センサＳ１によって検出され、コンデンサ５７の電圧は電圧センサＳ２によって検出される。各センサＳ１，Ｓ２からは、検出結果に応じた値の信号が出力される。

駆動ユニット１０１は、制御ユニット６６からの指示を受けると、電流センサＳ１と電圧センサＳ２からの出力をモニタしながら、スイッチング回路１００ａのトランジスタのオンとオフを繰り返す。これによ、電力供給ユニット６４によって印加される電圧Ｖｉｎが、電圧Ｖｉｎの１０倍程度の大きさの電圧Ｖｏｕｔまで昇圧され、コンデンサ５７へ印加される。本実施形態では、電圧Ｖｉｎが１２〜２４Ｖ程度であり、電圧Ｖｏｕｔが１２０〜２４０Ｖ程度である。

なお、上記昇圧ユニット６８は、コンデンサ５７の充電が必要な場合以外は、動作が停止した状態となる。

制御ユニット６６は、ＣＰＵ、主記憶部、補助記憶部、インタフェースを有するコンピュータを備えている。この制御ユニット６６は、電圧検出変圧器ＶＴ１からの電圧信号Ｖ１と、変流器ＣＴ１〜ＣＴ３からの電流信号Ｉ１〜Ｉ３を監視して、電力供給ユニット６４、配電盤３０のコンタクタ３３、充放電装置５０のコンタクタ５１を制御する。また、駆動ユニット６１〜６３を介して交直変換器５３〜５５を制御する。制御ユニット６６の動作については後述する。

図５は、電気自動車８０の制御系を示すブロック図である。電気自動車８０は、コネクタ９０を介して、充放電装置５０に着脱自在に接続される。図５に示されるように、電気自動車８０は、開閉スイッチ８１、メインバッテリユニット８２、充電ユニット８３、補機用バッテリ８４、駆動ユニット８５、車両制御ユニット８６を有している。

開閉スイッチ８１は、駆動ユニット８５によって駆動されるコンタクタである。この開閉スイッチ８１は、充放電装置５０と電気自動車８０を連系し、また解列する。

メインバッテリユニット８２は、開閉スイッチ８１の二次側に接続されている。このメインバッテリユニット８２は、電気自動車８０の走行に使用される電力を蓄えるためのユニットである。このメインバッテリユニット８２のバッテリとしては、複数のリチウムイオン電池が用いられる。本実施形態では、３Ｖ〜４Ｖのリチウムイオン電池セルが直列に接続されることで、端子間電圧２００Ｖ〜４００Ｖ程度のバッテリが構成されている。

メインバッテリユニット８２は、コネクタ９０が電気自動車８０に接続されることで、充放電装置５０に接続される。そして、電気自動車８０の開閉スイッチ８１がオンのときに充放電装置５０に連系され、電力の充電及び放電が可能な状態になる。

補機用バッテリ８４は、車両制御ユニット８６の制御に用いられる電力を蓄えるためのバッテリである。この補機用バッテリ８４は、端子間電圧が１２Ｖもしくは２４Ｖ程度で、電解液が充填された複数のセルから構成されている。

充電ユニット８３は、メインバッテリユニット８２と補機用バッテリ８４の間に設けられている。この充電ユニット８３は、メインバッテリユニット８２の電圧を降圧して、補機用バッテリ８４と、車両制御ユニット８６に印加する。これにより、補機用バッテリ８４の充電と、車両制御ユニット８６への電力の供給が実現する。

駆動ユニット８５は、車両制御ユニット８６の指示に基づいて、開閉スイッチ８１を駆動する。

車両制御ユニット８６は、ＣＰＵ、主記憶部、補助記憶部、インタフェースを有するコンピュータを備えている。この車両制御ユニット８６は、コネクタ９０を介して制御ユニット６６と接続されている。そして、制御ユニット６６からの指示に基づいて、駆動ユニット８５を動作させる。また、車両制御ユニット８６は、メインバッテリユニット８２に蓄電された電力量などの情報を取得し、必要に応じて、制御ユニット６６に当該情報を提供する。

次に、上述した充放電装置５０の動作を、図６及び図７を参照して説明する。図６及び図７は、充放電装置５０を構成する制御ユニット６６によって実行される一連の処理を示すフローチャートである。まず、図６を参照して、制御ユニット６６が実行する電源切替処理を説明する。

電源切替処理は、商用電力系統が停電した場合に、負荷４０の電源を、商用電力系統からメインバッテリユニット８２に切り替える処理である。この電源切替処理は、電気自動車８０のメインバッテリユニット８２に十分な電力が蓄えられているときに実行される。

最初のステップＳ２０１では、制御ユニット６６は、商用電力系統に停電が発生したか否かを判断する。商用電力系統に停電が発生した場合には、商用電力系統の電圧が零になるため、電圧検出変圧器ＶＴ１からの電圧信号Ｖ１の値が所定の閾値以下になる。そこで、制御ユニット６６は、電圧信号Ｖ１の値を監視し、電圧信号Ｖ１の値が所定の閾値以下になった場合に、商用電力系統に停電が発生したと判断し（ステップＳ２０１：Ｙｅｓ）、次のステップＳ２０２へ移行する。

次のステップＳ２０２では、制御ユニット６６は、電力供給ユニット６４へ、停電の発生を通知する。また、制御ユニット６６は、交直変換器５３〜５５が充電動作又は放電動作を実行しているときに、商用電力系統に停電が発生した場合には、交直変換器５３〜５５の動作を停止させる。

電力供給ユニット６４は、制御ユニット６６から停電の発生が通知されると、バッテリユニット６５に蓄えられた電力を制御ユニット６６に供給する。これにより、制御ユニット６６は、引き続き充放電装置５０を構成する交直変換器５３〜５５の制御を行うことができる。

次のステップＳ２０３では、制御ユニット６６は、電気自動車８０を構成する車両制御ユニット８６に、メインバッテリユニット８２の解列指示を通知する。電気自動車８０の車両制御ユニット８６は、解列指示を受信すると、駆動ユニット８５を駆動して開閉スイッチ８１をオフにする。これにより、メインバッテリユニット８２が商用電力系統から解列する。

次のステップＳ２０４では、制御ユニット６６は、充放電装置５０のコンタクタ５１をオフにする。これにより、充放電装置５０が、商用電力系統から解列する。なお、停電発生時に交直変換器５３〜５５が停止していたときは、開閉スイッチ８１及びコンタクタ５１はオフ（開）である。この場合は、ステップＳ２０３、Ｓ２０４の処理を実行する必要はない。

次のステップＳ２０５では、制御ユニット６６は、住宅１０に居住するユーザからの電源切替操作を待ち受ける。この電源切替操作は、災害等が原因で商用電力系統がある程度長期にわたって停電する場合、または事前に通告のある計画停電が行われる場合に、電気自動車８０の走行に使用される電力を、住宅１０に設置された負荷に供給するための操作である。本実施形態では、上記電源切替操作は、例えば、充放電装置５０に設けられた操作スイッチが操作されることによって実現する。

制御ユニット６６は、居住者によって電源切替操作が行われるまで（ステップＳ２０５：Ｎｏ）、ステップＳ２０１〜Ｓ２０５までの処理を繰り返し実行する。一方、制御ユニット６６は、居住者等によって電源切替操作が行われると（ステップＳ２０５：Ｙｅｓ）、ステップＳ２０６へ移行する。

ステップＳ２０６では、制御ユニット６６は、配電盤３０に収容されたコンタクタ３３をオフにする。これにより、商用電力系統から家庭内電力系統が解列される。

上記、ステップＳ２０３〜Ｓ２０６までの処理によって、商用電力系統と家庭内電力系統とが完全に解列する。これにより、停電時に家庭内電力系統への電力供給源が、商用電力系統から電気自動車８０のメインバッテリユニット８２に切替わっても、商用電力系統への逆潮流が防止され、停電時のメンテナンスを行う作業員の安全を確保することができる。

次のステップＳ２０７では、制御ユニット６６は、電気自動車８０を構成する車両制御ユニット８６に、メインバッテリユニット８２の連系指示を通知する。電気自動車８０の車両制御ユニット８６は、連系指示を受信すると、駆動ユニット８５を駆動して開閉スイッチ８１をオンにする。これにより、メインバッテリユニット８２が充放電装置５０に接続される。

次のステップＳ２０８では、制御ユニット６６は、充放電装置５０のコンタクタ５１をオンにする。これにより、充放電装置５０が、負荷４０に連系される。

次のステップＳ２０９では、制御ユニット６６は、各駆動ユニット６１〜６３に、放電動作の開始を指示する。各駆動ユニット６１〜６３は、放電動作開始指示を受信すると、交直変換器５３〜５５に放電時の動作をさせる。これにより、交直変換器５３〜５５が、放電動作を開始する。そして、電気自動車８０に蓄えられた電力が、住宅１０に設置された負荷４０に供給される。また、電力供給ユニット６４は、交直変換器５４が放電動作を開始すると、交直変換器５４からの電力を制御ユニット６６及びバッテリユニット６５に出力する。これにより、制御ユニット６６の動作が維持されるとともに、バッテリユニット６５の充電が開始される。なお、充放電装置５０のコンタクタ５１をオンにする動作（ステップＳ２０８）を、放電動作開始後に実行しても何ら問題はない。制御ユニット６６は、ステップＳ２０９の処理が終わると、電源切替処理を終了する。

次に、図７を参照して、制御ユニット６６が実行する電源復旧処理を説明する。電源復旧処理は、商用電力系統が停電から復旧した場合に、負荷４０の電源を、メインバッテリユニット８２から商用電力系統へ切り替えることで、商用電力系統を電源として復旧させる処理である。この電源復旧処理は、商用電力が健全になったときに実行可能となる。

最初のステップＳ３０１では、制御ユニット６６は、電圧が復旧したか否かを判断する。商用電力系統が復旧した場合には、商用電力系統の電圧が定格電圧になるため、電圧検出変圧器ＶＴ１からの電圧信号Ｖ１の値が所定の閾値以上になる。そこで、制御ユニット６６は、電圧信号Ｖ１の値を監視し、電圧信号Ｖ１の値が所定の閾値以上になった場合に、商用電力系統の電圧が復旧したと判断し（ステップＳ３０１：Ｙｅｓ）、次のステップＳ３０２へ移行する。

次のステップＳ３０２では、制御ユニット６６は、住宅１０に居住するユーザからの電源復旧操作を待ち受ける。この電源復旧操作は、商用電力系統が停電から復旧した場合に、負荷４０の電源を商用電力系統に切り替えるための操作である。本実施形態では、上記電源復旧操作は、例えば、充放電装置に設けられた操作スイッチが操作されることによって実現する。

制御ユニット６６は、電源復旧操作がない場合は（ステップＳ３０２：Ｎｏ）、ステップＳ３０１，Ｓ３０２の処理を繰り返し実行する。また、制御ユニット６６は、電源復旧操作がなされた場合は（ステップＳ３０２：Ｙｅｓ）、ステップＳ３０３へ移行する。

ステップＳ３０３では、制御ユニット６６は、各駆動ユニット６１〜６３に、放電動作の停止を指示する。各駆動ユニット６１〜６３は、放電動作停止指示を受信すると、交直変換器５３〜５５の動作を停止させる。これにより、交直変換器５３〜５５の動作が停止する。

交直変換器５３〜５５の動作が停止すると、電力供給ユニット６４は、バッテリユニット６５に蓄えられた電力を制御ユニット６６に供給する。これにより、制御ユニット６６の動作が維持される。

次のステップＳ３０４では、制御ユニット６６は、昇圧ユニット６８にコンデンサ５７の充電を指示する。昇圧ユニット６８は、充電指示を受信すると、電力供給ユニット６４によって印加される電圧Ｖｉｎを一定の割合で昇圧させていく。例えば、昇圧を時刻ｔ０から時刻ｔ１まで行う場合には、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで、一定の割合で、電圧Ｖｉｎを緩やかに昇圧させる。これにより、電圧Ｖｏｕｔも一定の割合で緩やかに上昇し、コンデンサ５７の端子間電圧Ｖｄｃは、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで、一定の割合で上昇する。（図１０参照）。

次のステップＳ３０５では、制御ユニット６６は、コンデンサ５７の端子間電圧が基準値Ｖｓ以上になったか否かを判断する。なお、基準値Ｖｓは、交直変換器５３の二次側の電圧とほぼ等しい値である。一般に商用電力系統の電圧は交流１００〜２００Ｖである。このため、コンデンサ５７端子間電圧は概ね１４０Ｖ〜２８０Ｖ（＝１００√２又は２００√２）程度である。しがたって、基準値Ｖｓは、１１０Ｖ〜１２０Ｖ程度、或いは２２０Ｖ〜２４０Ｖ程度とすることが考えられる。

ステップＳ３０５の処理は、具体的には、昇圧ユニット６８の電圧センサＳ２から出力される出力信号Ｖｏの値が、基準値Ｖｓに対応する閾値Ｔｈ以上であるか否かを判断することにより行う。制御ユニット６６は、出力信号Ｖｏの値が閾値Ｔｈ以上になると（ステップＳ３０５：Ｙｅｓ）、次のステップＳ３０６へ移行する。

次のステップＳ３０６では、制御ユニット６６は、昇圧ユニット６８にコンデンサ５７の充電の停止を指示する。昇圧ユニット６８は、充電停止指示を受信すると、電力供給ユニット６４によって印加される電圧Ｖｉｎの昇圧を停止する。

次のステップＳ３０７では、制御ユニット６６は、配電盤３０に収容されたコンタクタ３３をオンにする、これにより、商用電力系統に家庭内電力系統が連系する。この時、コンデンサ５７には、交直変換器５３を構成するダイオードを介して、突入電流が流れ込むが、コンデンサ５７は、予め充電されているため、突入電流の増加が抑制される。以下、その効果について図面を参照しつつ説明する。

図８は、充電されていないコンデンサ５７の端子間電圧Ｖｄｃの推移を示す図である。また、図９は、充電されていないコンデンサ５７に流れる電流Ｉｄｃの推移を示す図である。コンタクタ３３がオンとなった場合には、図８に示されるように、端子間電圧Ｖｄｃが、時刻ｔ１から急峻に上昇し、瞬時に交直変換器５３の二次側電圧に等しいａ１に至る。

この場合には、図９に示されるように、コンデンサ５７に流入する電流Ｉｄｃは、急峻に上昇してｂ１に至った後に、ほぼ零に収束する。

図１０は、充電されるコンデンサ５７の端子間電圧Ｖｄｃの推移を示す図である。また、図１１は、充電されるコンデンサ５７に流れる電流Ｉｄｃの推移を示す図である。コンタクタ３３がオンとなる時刻ｔ１よりも前の時刻ｔ０から、コンデンサ５７を充電した場合には、図１０に示されるように、端子間電圧Ｖｄｃが、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで、緩やかに上昇する。そして、端子間電圧Ｖｄｃは、交直変換器５３の二次側電圧とほぼ等しい基準値Ｖｓとなる。本実施形態では、端子間電圧Ｖｄｃが基準値Ｖｓとなる時刻ｔ１（ステップＳ３０５での判断が肯定された時刻）に、コンタクタ３３がオンとなる。そのため、時刻ｔ１で、充放電装置５０が商用電力系統と連系し、端子間電圧Ｖｄｃはａ１に至る。

端子間電圧Ｖｄｃが、図１０に示されるように推移する場合には、コンデンサ５７に流入する電流Ｉｄｃは、図１１に示されるように、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで徐々に増加していく。そして、電流Ｉｄｃは、時刻ｔ１に瞬間的に大きくなってｂ２至った後、ほぼ零に収束する。

端子間電圧Ｖｄｃがａ１に収束する場合には、最終的にコンデンサ５７に蓄えられる電荷は、コンデンサ５７の容量に比例し、その電荷は、電流Ｉｄｃの推移を示す曲線の積分で算出される。そのため、図９に示されるように、電流Ｉｄｃが急峻に大きくなった後に零に収束する場合と、図１１に示されるように、電流Ｉｄｃが、徐々に大きくなった後に零に収束する場合とを比較すると、図１１に示されるように、電流Ｉｄｃが、徐々に大きくなる場合の方が、電流Ｉｄｃの最大値は小さくなる（ｂ１＞ｂ２）。

本実施形態では、充放電装置５０が商用電力系統と連系する前に、予めコンデンサ５７が充電されるため、連系時のコンデンサ５７に流れる突入電流の増加が抑制される。これにより、商用電力系統から家庭内電力系統への突入電流も同様に抑制される。

次のステップＳ３０８では、制御ユニット６６は、各駆動ユニット６１〜６３に、充電動作の開始を指示する。各駆動ユニット６１〜６３は、充電動作開始指示を受信すると、交直変換器５３〜５５に充電時の動作をさせる。これにより、交直変換器５３〜５５が、充電動作を開始する。また、商用電力系統からの電力は、住宅１０に設置された負荷４０に供給される。

電力供給ユニット６４は、商用電力系統と家庭内電力系統との連系が完了すると、商用電力系統からの電力を制御ユニット６６及びバッテリユニット６５に出力する。これにより、制御ユニット６６の動作が維持されるとともに、バッテリユニット６５の充電が開始される。制御ユニット６６は、ステップＳ３０８の処理が終わると、電源復旧処理を終了する。なお、本実施形態では、電源復旧処理でメインバッテリユニット８２の充電動作を速やかに実行したが、必ずしも、充電動作を速やかに実行する必要はない。例えば、開始時刻を予約し、予約した時刻から充電動作を開始することとしてもよい。その場合は、消費電力削減の観点から充放電装置５０のコンタクタ５１をオフ（開）とし、充電動作を行う時点で予めコンデンサ５７の充電を行った後に、コンタクタ５１オンとする。これにより、同様に突入電流を抑制することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態では、商用電力系統と家庭内電力系統が連系することにより、商用電力系統と充放電装置５０が連系するときには、予め充放電装置５０を構成する交直変換器５３の二次側に配置されたコンデンサ５７が充電される（ステップＳ３０４，Ｓ３０５，Ｓ３０６）。このため、連系時にコンデンサ５７に流れる突入電流の増加が抑制され、結果的に家庭内電力系統へ流入する突入電流を抑制することができる。したがって、連系時に発生する突入電流によって、住宅１０に設置された電気機器が受ける悪影響を抑制することができる。

本実施形態では、コンデンサ５７の充電に、バッテリユニット６５に蓄えられた電力が用いられる。このため、商用電力系統からの電力の供給が停止しても、コンデンサ５７の充電が実行できる。このため、災害等によって商用電力系統が停電したとしても、復電時には、家庭内電力系統へ流入する突入電流を抑制し、住宅１０に設置された電気機器が受ける悪影響を抑制することが可能となる。

本実施形態では、蓄電ユニット４１の蓄電池として電気自動車８０を用いた場合には、当該電気自動車８０を商用電力系統に連系する際に、絶縁診断を実施することができる。

例えば、図１２に示されるように、充放電装置５０に、交直変換器５５の二次側の地絡電流を検出する地絡電流検出ユニットＥＬと、交直変換器５５の二次側の直流電流を検出する直流電流検出ユニットＣＳとを設ける。そして、コネクタ９０と走行後の電気自動車８０とを接続する際に、昇圧ユニット６８によって充電されたコンデンサ５７の電圧を、交直変換器５４，５５によって更に昇圧してから、開閉スイッチ８１が開とされた電気自動車８０に印加する。次に、地絡電流検出ユニットＥＬと、直流電流検出ユニットＣＳとを用いて、電気自動車８０に昇圧された電圧を印加したときの地絡の発生と、電気自動車８０に流れる直流電流の検出を試みる。その結果、地絡が検出されたり、基準値以上の直流電流が検出された場合には、電気自動車８０の絶縁耐力が低下していると判断できる。

電気自動車８０への絶縁診断では、バッテリユニット６５の電圧を１２Ｖとすると、１２Ｖの電圧が、昇圧ユニット６８によって１２Ｖ〜１２０Ｖの範囲で昇圧される。そして、１２Ｖ〜１２０Ｖ程度の電圧が、交直変換器５４，５５によって、１２Ｖ〜６００Ｖ程度の範囲で昇圧される。このため、電気自動車８０の電気回路に対して、絶縁診断や絶縁試験では一般的な５００Ｖ程度の電圧を用いた絶縁診断ができる。これにより、停電時にも、電気自動車８０を安全に家庭内電力系統へ連系することが可能となる。

また、昇圧ユニット６８及び、交直変換器５４、５５により、コンデンサ５９を１２Ｖ〜６００Ｖの電圧で充電することが可能であるため、予めメインバッテリユニット８２と同等の電圧でコンデンサ５９を充電することにより、開閉スイッチ８１をオンにしたときに発生する突入電流を抑制することも可能である。これによりメインバッテリユニット８２に流れる突入電流が抑制されるため、メインバッテリユニット８２の長寿命化などが期待できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態によって限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、図４に示されるように、昇圧ユニット６８の昇圧回路１００が、スイッチング回路１００ａと、ダイオード１００ｂと、コイル１００ｃとから構成されたチョッパ回路である場合について説明した。これに限らず、昇圧回路１００は、一例として図１３に示されるように、コンデンサとダイオードからなるコッククロフトウォルトン回路等の昇圧回路であってもよい。

上記実施形態では、商用電力系統の停電時に、電気自動車８０に蓄えられた電力を負荷４０へ供給する場合について説明した。これに限らず、蓄電ユニット４１は、電気自動車８０に変えて専用のバッテリを備えた蓄電手段を備えていてもよい。また、蓄電ユニット４１は、風力発電装置とバッテリとを備える蓄電ユニット等であってもよい。

上記実施形態では、図３に示されるように、充放電装置５０が、単相の交直変換器５４，５５を有している場合について説明した。これは一例であり、充放電装置５０は、三相の交直変換器を有していてもよい。この場合には、絶縁トランスとして、Ｙ−Ｙ結線の絶縁トランス、Ｙ−Δ結線の絶縁トランス、或いはΔ−Δ結線のトランスを用いることができる。この場合には、単相三線式の家庭内電力系統への対応も容易になる。

上記実施形態では、バッテリユニット６５が、電解液が充填された複数のセルからなることとした。これに限らず、バッテリユニット６５は、リチウムイオン電池セル等を有していてもよい。また、バッテリユニット６５は、制御に用いられる電力を蓄えるだけでよいため、例えばアルカリ乾電池等を用いることも可能である。また、バッテリユニット６５を常時設置した状態にするのではなく、端子口を準備することで、停電時にのみバッテリユニット６５を、制御ユニット６６に接続したり、バッテリユニット６５の充電が不十分な場合に、汎用の乾電池を接続して、制御ユニット６６に電力を供給してもよい。また、バッテリユニット６５に代えて、携帯用発電機、燃料電池、太陽電池、風力発電機を用いてもよい。

上記携帯用発電機は、プロパンガス、ガソリン、軽油を利用して発電するものや、給湯器に蓄えられた熱エネルギーを利用して発電するペルチェ素子で構成されたもので何ら問題はない。この場合にも、上記バッテリユニット６５と同等の効果を実現することができる。

上記実施形態では、電気自動車８０を構成するメインバッテリユニット８２が、リチウムイオン電池セルが直列に接続されることで構成されたバッテリを備えることとした。これに限らず、メインバッテリユニット８２は、リチウム電池セル以外の電池セルからなるバッテリを備えていてもよい。また、メインバッテリユニット８２の端子間電圧は、２００Ｖ〜４００Ｖに限定されるものではない。

上記実施形態では、図２に示されるように、配電盤３０に、主幹ブレーカ３１、漏電遮断器３２、コンタクタ３３、漏電ブレーカ３４、分岐ブレーカ３５等が収容されている場合について説明した。図２に示される例は一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、主幹ブレーカ３１、漏電遮断器３２、コンタクタ３３等を、配電盤３０とは別の配電盤に収容することとしてもよい。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。つまり、本発明の範囲は、実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。

本発明の電力変換装置は、電力の変換に適している。本発明の電源切替装置及び電源切替方法は、商用電源と住宅内に設置された電源の切替に適している。また、本発明の住宅は、商用電力系統が不安定な災害時の居住に適している。

１０住宅、２０電力量計、３０配電盤、３１主幹ブレーカ、３２漏電遮断器、３３コンタクタ、３４漏電ブレーカ、３５〜３７分岐ブレーカ、４０負荷、４１蓄電ユニット、５０充放電装置、５１コンタクタ、５２Ａ，５２Ｂリアクトル、５３〜５５交直変換器、５７コンデンサ、５８絶縁トランス、５９コンデンサ、６０整流回路、６１〜６３駆動ユニット、６４電力供給ユニット、６５バッテリユニット、６６制御ユニット、６８昇圧ユニット、７０太陽光発電ユニット、８０電気自動車、８１開閉スイッチ、８２メインバッテリユニット、８３充電ユニット、８４補機用バッテリ、８５駆動ユニット、８６車両制御ユニット、９０コネクタ、１００昇圧回路、１００ａスイッチング回路、１００ｂダイオード、１００ｃコイル、１０１駆動ユニット、ＣＳ直流電流検出ユニット、ＣＴ１〜ＣＴ３変流器、ＥＬ地絡電流検出ユニット、Ｓ１電流センサ、Ｓ２電圧センサ

Claims

電力系統と蓄電システム間で電力を変換する電力変換装置であって、
前記電力系統と前記蓄電システム間で、電力を、交流電力から直流電力、又は直流電力から交流電力へ変換する変換手段と、
前記変換手段の動作を制御する制御手段と、
直流電力を蓄えるコンデンサと、
前記電力変換装置が、前記蓄電システムへ連系されるときに、予め前記コンデンサを充電する充電手段と、
を備え、
前記充電手段は、前記コンデンサに蓄積するための電力を蓄える蓄電手段を備え、
前記コンデンサ及び前記充電手段は、前記電力系統と前記蓄電システムが有する開閉手段との間に設けられ、
前記開閉手段が閉になることによって、前記電力変換装置が前記蓄電システムへ連系され、
前記蓄電手段には、前記電力系統及び前記蓄電システムからの電力が供給される、
電力変換装置。
電力系統と蓄電システム間で電力を変換する電力変換装置であって、
前記電力系統と前記蓄電システム間で、電力を、交流電力から直流電力、又は直流電力から交流電力へ変換する変換手段と、
前記変換手段の動作を制御する制御手段と、
直流電力を蓄えるコンデンサと、
前記電力変換装置が、前記電力系統へ連系されるとき及び前記蓄電システムへ連系されるときに、予め前記コンデンサを充電する充電手段と、
を備え、
前記充電手段は、前記コンデンサに蓄積するための電力を蓄える蓄電手段を備え、
前記コンデンサ及び前記充電手段は、前記電力系統と前記蓄電システムが有する開閉手段との間に設けられ、
前記開閉手段が閉になることによって、前記電力変換装置が前記蓄電システムへ連系され、
前記蓄電手段には、前記電力系統及び前記蓄電システムからの電力が供給される、
電力変換装置。
負荷へ電力を供給する電源を切り替える電源切替装置であって、
請求項１又は２に記載の電力変換装置と、
前記電力変換装置によって変換された直流電力を蓄電する前記蓄電システムと、
前記電力系統と前記変換手段との間に設けられた電力系統側開閉手段と、
前記電力系統側開閉手段と前記変換手段との間に接続された前記負荷と、
を備える電源切替装置。
前記充電手段は、前記電力系統側開閉手段によって、前記電力系統へ前記電力変換装置が連系されるときに、前記コンデンサに電圧を印加する請求項３に記載の電源切替装置。
前記蓄電システムは、電気自動車である請求項３又は４に記載の電源切替装置。
前記蓄電システムへ流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記蓄電システムと前記変換手段の地絡を検出する地絡検出手段と、
を有する請求項３から５のいずれか一項に記載の電源切替装置。
請求項３から６のいずれか一項に記載の電源切替装置と、
前記負荷としての電気設備と、
を備える住宅。
電力変換装置が有する蓄電手段に電力系統からの電力を蓄える工程と、
前記蓄電手段に蓄えられた電力を供給して前記電力変換装置が備えるコンデンサを充電し、続いて、蓄電システムが有する開閉手段を閉じることにより、前記蓄電システムが蓄積している直流電力を前記電力変換装置に供給して交流電力に変換して出力させる、と共に、前記蓄電手段に前記蓄電システムからの電力を供給して蓄電する工程と、
を含む電力変換方法。