JP6195206B2 - 電力供給システム、電力変換装置、計測点切替装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力供給システム、詳しくは、系統電源ではない他の電源とコージェネレーション装置とを組み合わせて用いる電力供給システムに関する。さらに、本発明は、この電力供給システムに用いる電力変換装置、この電力供給システムに用いる計測点切替装置に関する。

従来、分散電源である太陽電池と蓄電池とを組み合わせて用いる電力供給システムが提案されている（たとえば、日本特許出願公開番号２００２−１７１６７４（以下、文献１という））。この種の電力供給システムは、太陽電池と蓄電池とで電力変換器を共用できる利点がある。文献１には、太陽電池の余剰電力の逆潮流を行い、かつ蓄電池から系統への電力流出を防止する技術が記載されている。

近年、燃料ガスを改質して得られた水素を利用して発電する燃料電池が開発されている。さらに、燃料電池が発電する際に生じる熱を湯沸かしにも利用するコージェネレーション装置が考えられている。コージェネレーション装置としての燃料電池は、多くの場合、単独で使用するか、太陽電池と組み合わせて使用することが提唱されており、太陽電池と蓄電池とを組み合わせた分散電源に、さらにこの種の燃料電池を組み合わせる事例は少ない。

とくに、燃料電池を電力不足を補う目的でのみ用いる構成では、燃料電池の発電量が少なく、給湯に十分な程度の熱量を得ることができない可能性がある。コージェネレーション装置は、燃料電池のほかにガスエンジンを用いる構成も知られている。

本発明は、コージェネレーション装置を、系統電源ではない他の電源と組み合わせて用いる構成において、コージェネレーション装置の利用率を高め、光熱費の抑制に寄与し、かつ給湯に必要な熱量を確保できるようにした電力供給システムを提供することを目的とする。さらに、本発明は、この電力供給システムに用いる電力変換装置、およびこの電力供給システムに用いる計測点切替装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電力供給システムは、系統電源と第１の負荷との間に接続される主幹ブレーカを備えた分電盤と、前記系統電源から電力が供給される期間に前記主幹ブレーカに電力を供給する連系端子、および前記系統電源からの給電が停止する期間に電力を取り出す自立端子を備えた電力変換装置と、前記系統電源から電力が供給される期間に前記分電盤から給電される一方、前記系統電源からの給電が停止する期間に前記電力変換装置の前記自立端子から給電され、かつ第２の負荷が接続される自立分電盤と、前記自立分電盤に接続され発電と湯沸かしとを行う構成であって、発電した電力は前記系統電源への逆潮流が禁止されているコージェネレーション装置と、前記コージェネレーション装置が出力する電力を定めるために、前記系統電源から電力が供給される期間には前記主幹ブレーカを通過する電流を監視する第１の電流センサを選択し、前記系統電源からの給電が停止する期間に前記電力変換装置から前記自立分電盤に供給される電流を監視する第２の電流センサを選択する計測点切替装置とを備え、前記電力変換装置は、前記連系端子と前記自立端子とのそれぞれから前記系統電源ではない他の電源の電力を出力するように構成され、前記コージェネレーション装置は、前記計測点切替装置に選択された前記第１の電流センサと前記第２の電流センサとの一方の出力を用いて、前記コージェネレーション装置から出力された電力が前記第１の負荷および前記第２の負荷で消費されるように出力を調節することを特徴とする。

この電力供給システムにおいて、前記コージェネレーション装置は燃料電池であることが好ましい。

この電力供給システムにおいて、前記自立分電盤を、前記分電盤に接続する第１の状態と、前記電力変換装置の前記自立端子に接続する第２の状態とを選択する電源選択器をさらに備えることが好ましい。

この電力供給システムにおいて、前記電力変換装置は、前記他の電源として、太陽電池と蓄電池とが接続可能であり、前記太陽電池が発電した電力と前記蓄電池に蓄電された電力との少なくとも一方を、前記系統電源から電力が供給される期間に前記連系端子から出力する一方、前記系統電源からの給電が停止する期間に前記自立端子から出力する構成であって、前記太陽電池が発電した電力かつ前記連系端子を通して出力する電力は、前記系統電源への逆潮流が可能になるように構成されていることが好ましい。

この電力供給システムにおいて、前記電力変換装置は、前記太陽電池が発電した電力のうち前記第１の負荷と前記第２の負荷とのどちらにも消費されない余剰電力の逆潮流を行い、かつ電気料金の単価が相対的に安い時間帯に前記蓄電池に充電する一方、電気料金の単価が相対的に高い時間帯に前記蓄電池から放電する第１の動作モードと、前記太陽電池が発電した電力のうちの前記余剰電力を前記蓄電池の充電に用い、かつ前記太陽電池が発電しない期間に前記蓄電池から放電する第２の動作モードと、前記蓄電池を満充電の状態に維持する第３の動作モードとが選択可能であることがさらに好ましい。

本発明に係る電力変換装置は、上述したいずれかの電力供給システムに用いられることを特徴とする。

本発明に係る計測点切替装置は、上述したいずれかの電力供給システムに用いられることを特徴とする。

本発明の構成によれば、系統電源から受電する主幹ブレーカを通過する電流に基づいてコージェネレーション装置の出力を制御するので、主幹ブレーカを通して電力を供給している負荷にもコージェネレーション装置から電力を供給することになる。その結果、コージェネレーション装置を、系統電源ではない他の電源と組み合わせて用いる構成において、コージェネレーション装置の利用率が高められるという利点がある。また、コージェネレーション装置の利用率を高めて、系統電源から購入する電力量が低減される結果、光熱費の抑制に寄与し、しかも、給湯に必要な熱量を確保できるという利点がある。

実施形態を示す非停電時のブロック図である。 実施形態を示す停電時のブロック図である。 実施形態に用いる燃料電池の外観を示す斜視図である。 実施形態の消費電力と発電電力との関係を示す動作説明図である。 実施形態の動作説明図である。 実施形態の他の動作説明図である。 実施形態に用いる計測点切替装置を示すブロック図である。 実施形態に用いる自立分電盤の構成例を示す概略構成図である。

以下に説明する電力供給システムは、図１に示すように、分電盤３０と電力変換装置５０と自立分電盤４０とコージェネレーション装置（燃料電池２４）と計測点切替装置１０とを備える。分電盤３０は、系統電源２１と第１の負荷（負荷６０）との間に接続される主幹ブレーカ３１を備える。電力変換装置５０は、系統電源２１から電力が供給される期間に主幹ブレーカ３１に電力を供給する連系端子５５、および系統電源２１からの給電が停止する期間に電力を取り出す自立端子５６を備える。自立分電盤４０は、系統電源２１から電力が供給される期間に分電盤３０から給電される一方、系統電源２１からの給電が停止する期間に電力変換装置５０の自立端子５６から給電され、かつ第２の負荷（負荷６１など）が接続される。コージェネレーション装置は、自立分電盤４０に接続され発電と湯沸かしとを行う構成であって、発電した電力は系統電源２１への逆潮流が禁止されている。計測点切替装置１０は、コージェネレーション装置が出力する電力を定めるために、第１の電流センサ（電流センサ３４）と第２の電流センサ（電流センサ４５）との一方を選択する。すなわち、計測点切替装置１０は、系統電源２１から電力が供給される期間には主幹ブレーカ３１を通過する電流を監視する第１の電流センサを選択する。また、計測点切替装置１０は、系統電源２１からの給電が停止する期間に電力変換装置５０から自立分電盤４０に供給される電流を監視する第２の電流センサを選択する。コージェネレーション装置は、計測点切替装置１０に選択された第１の電流センサと第２の電流センサとの一方の出力を用いて、コージェネレーション装置から出力された電力が第１の負荷（負荷６０）および第２の負荷（負荷６１など）で消費されるように出力を調節する。

電力供給システムは、自立分電盤４０を、分電盤３０に接続する第１の状態と、電力変換装置５０の自立端子５６に接続する第２の状態とを選択する電源選択器４４を備えることが望ましい。

電力変換装置５０は、太陽電池２２と蓄電池２３とが接続可能であることが望ましい。この場合、電力変換装置５０は、太陽電池２２が発電した電力と蓄電池２３に蓄電された電力との少なくとも一方を、系統電源２１から電力が供給される期間に連系端子５５から出力する。また、電力変換装置５０は、当該電力を系統電源２１からの給電が停止する期間に自立端子５６から出力する。そして、電力変換装置５０は、太陽電池２２が発電した電力かつ連系端子５５を通して出力する電力は、系統電源２１への逆潮流が可能になるように構成されている。

さらに、電力変換装置５０は、太陽電池２２が発電した電力のうち第１の負荷（負荷６０）と第２の負荷（負荷６１など）とのどちらにも消費されない余剰電力の逆潮流を行うことが望ましい。この電力変換装置５０は、第１の動作モードと第２の動作モードと第３の動作モードとが選択可能である。第１の動作モードは、電気料金の単価が相対的に安い時間帯に蓄電池２３に充電する一方、電気料金の単価が相対的に高い時間帯に蓄電池２３から放電する。第２の動作モードは、太陽電池２２が発電した電力のうちの前記余剰電力を蓄電池２３の充電に用い、かつ太陽電池２２が発電しない期間に蓄電池２３から放電する。第３の動作モードは、蓄電池２３を満充電の状態に維持する。

以下に、本実施形態の構成をさらに詳しく説明する。本実施形態で説明する電力供給システムの全体構成を図１、図２に示す。図に示す電力供給システムは、負荷に電力を供給する電源として、系統電源２１と太陽電池２２と蓄電池２３と燃料電池２４との４種類を備える。系統電源２１は、電力会社のような電力供給事業者から配電網を通して供給される電源を意味する。

燃料電池２４は、メタンあるいはプロパンを含む燃料ガスの改質により生成した水素ガスを用いる構成であって、燃料電池２４の発電ユニット２４１に貯湯ユニット２４２が並設された構成を備えている。貯湯ユニット２４２は、発電ユニット２４１で生じる排熱を利用して貯湯槽内の湯温を上昇させるように構成され、コージェネレーション装置として機能する。

すなわち、燃料電池２４は、発電と湯沸かしとの両方の機能を有している。さらに、燃料電池２４は、貯湯槽内で湯に代えて蓄えている熱量が不足する場合に追加して加熱を行う補助熱源を備える。また、燃料電池２４は、浴槽に溜めた湯を追い焚きする場合に用いる補助熱源を備える場合がある。燃料電池２４は、動作状態の管理に用いるリモコン２５と通信可能であり、図３に示す例では、浴室用リモコン２５１と台所用リモコン２５２との２個のリモコン２５（図１参照）と通信可能になっている。

本実施形態では、電力系統２０への電力の逆潮流が可能な電源として、太陽電池２２を例示しているが、太陽電池２２は、風力、水力、地熱などの自然エネルギーを用いて発電する電源に代えることが可能である。また、本実施形態では、蓄電池２３と燃料電池２４とは、電力系統２０への電力の逆潮流が禁止されている電源として例示している。燃料電池２４に代えて、ガスエンジン（ガスマイクロタービン）を用いて発電するコージェネレーション装置を用いることも可能である。

図示する太陽電池２２と蓄電池２３と燃料電池２４との３種類の電源については、これらを設けるか否かを、需要家が任意に選択する。すなわち、これらの電源は必要に応じて適時に導入される。電源として太陽電池２２または蓄電池２３を用いる場合、交流と直流との間の電力変換を行うために電力変換装置５０が必要になる。また、燃料電池２４を導入する場合、自立分電盤４０などを追加して設置することが必要である。

系統電源２１に接続された配電線Ｌ１は分電盤３０に接続される。分電盤３０は、配電線Ｌ１に接続される主幹ブレーカ３１と、主幹ブレーカ３１の負荷側において電力を分岐させる複数個の分岐ブレーカ３２とを筐体（図示せず）に内蔵している。それぞれの分岐ブレーカ３２は、分岐線Ｌ２を通して負荷（第１の負荷）６０に電力を供給する。図では複数個の負荷６０に一括して符号を付しているが、符号６０は個々の負荷を意味する。

分電盤３０は、連系ブレーカ３３と第１の電流センサ（電流センサ３４）とをさらに内蔵する。連系ブレーカ３３は、後述する電力変換装置５０と配電線Ｌ１との間に挿入される。主幹ブレーカ３１と連系ブレーカ３３とは、配電線Ｌ１に共通に接続される。

電流センサ３４は、主幹ブレーカ３１を通過する電流を検出するように配置される。図示例では、配電線Ｌ１において、連系ブレーカ３３との接続点と、主幹ブレーカ３１との間の電路を通過する電流を計測するように電流センサ３４が配置されている。電流センサ３４は、単相３線の２本の電圧線（Ｕ相とＷ相）の電流を個別に検出するように配置される。

電流センサ３４は、具体的な構成としてコアを備える電流トランスを想定しているが、コアレスコイル（いわゆるロゴスキーコイル）あるいは磁気センサを用いる構成であってもよい。以下に説明する電流センサ３５，３６，４３，４５，４５Ａ，４５Ｂも同様であり、それぞれの電流センサ３５，３６，４３，４５，４５Ａ，４５Ｂの具体的な構成は電流センサ３４の構成に準じる。

分電盤３０に内蔵された分岐ブレーカ３２のうちの１個は、単相３線に対応した接続線Ｌ３を通して自立分電盤４０に接続される。接続線Ｌ３には、分岐ブレーカ３２から供給される電力と、電力変換装置５０から供給される電力との一方を選択して自立分電盤４０に供給する電源選択器４４が挿入されている。電源選択器４４は、電磁継電器を備える。

自立分電盤４０は、系統電源２１から電力が供給されない状態でも給電が必要になる負荷（第２の負荷）６１と、負荷６０，６１の動作を管理する管理装置６２と、計測装置６３とに電力を供給する経路を形成する。図では複数個の負荷６１に一括して符号を付しているが符号６１は個々の負荷を意味する。また、符号６２は、管理装置６２を構成する機器群を表している。以下では、負荷６０と負荷６１とを区別するために、負荷６０を「一般負荷」と呼び、負荷６１を「特定負荷」と呼ぶ。

自立分電盤４０は、分電盤３０と同様に、主幹ブレーカ４１と複数個の分岐ブレーカ４２とを筐体（図示せず）に内蔵する。それぞれの分岐ブレーカ４２は、分岐線Ｌ４を通して、特定負荷６１と管理装置６２と計測装置６３と後述する計測点切替装置１０とに電力を供給する。分岐ブレーカ４２のうちの１つは、接続線Ｌ５を通して燃料電池２４に接続される。燃料電池２４が発電した電力は、特定負荷６１と管理装置６２と計測装置６３と計測点切替装置１０とに供給可能になる。また、燃料電池２４が発電した電力は、主幹ブレーカ４１を通して、分電盤３０にも供給可能であるから、燃料電池２４から一般負荷６０にも電力が供給可能である。管理装置６２、計測装置６３、計測点切替装置１０は、系統電源２１からの給電が停止しているときに、自立分電盤４０からの電力により動作するから、特定負荷６１と同様に、第２の負荷に含まれる。つまり、管理装置６２、計測装置６３、計測点切替装置１０は、系統電源２１から電力が供給されていれば、主幹ブレーカ３１を通して供給される電力により動作する。

計測装置６３は、電流センサ３５および電流センサ４３の出力を取得し、それぞれの電流センサ３５，４３が配置された電路（配電線Ｌ１、接続線Ｌ５）を通過する電力を算出し、算出した電力の情報を電力変換装置５０に通知する機能を有する。また、計測装置６３は、電流センサ３５の出力に基づいて系統電源２１から電力が供給されているか否かを監視する。電流センサ３５は、配電線Ｌ１を通過する電流を計測するように配置され、系統電源２１の電力の供給状態を監視する。電流センサ４３は、接続線Ｌ５を通過する電流を計測するように配置され、燃料電池２４からの電力の供給状態を監視する。

なお、図１、図２において、一点鎖線は通信路を示しており、たとえば、ＲＳ４８５規格に準じた仕様のシリアル通信を行う。通信路がＲＳ４８５規格に準じた仕様であることは必須ではなく、無線通信路を用いたり、有線通信路を用いて電力線搬送通信の技術による通信を行うことも可能である。これらの通信技術は、組み合わせて用いてもよい。

分電盤３０は、主幹ブレーカ３１の１次側の電路（配電線Ｌ１）に接続された連系ブレーカ３３を筐体内に備える。主幹ブレーカ３１と連系ブレーカ３３とは、配電線Ｌ１に共通に接続される。連系ブレーカ３３は、太陽電池２２が発電した電力を主幹ブレーカ３１の１次側の電路に供給する経路を形成し、また、系統電源２１から受電した電力を蓄電池２３の充電に用いる経路を形成する。連系ブレーカ３３は、いわゆるリモコンブレーカであって、電力変換装置５０からの指示によりオンとオフとを切り替えるように構成されている。

電力変換装置５０は、太陽電池２２と蓄電池２３とが接続され、分電盤３０との間で電力の授受を行う機能と、自立分電盤４０に電力を供給する機能とを備える。そのため、太陽電池２２が発電した直流電力あるいは蓄電池２３に蓄電された直流電力を、系統電源２１と等価な交流電力に変換する電力変換器５１を備える。また、電力変換装置５０は、電力変換器５１から２線で出力される電力を３線に変換するトランス５２を備える。

電力変換器５１は、蓄電池２３の充電電流を管理する機能、太陽電池２２が発電した電力のうち需要家では利用されない余剰電力を配電線Ｌ１に逆潮流させる際の電力を管理する機能も有する。蓄電池２３の充電電流は、電力変換装置５０の内部で監視し、配電線Ｌ１に逆潮流させる電力は配電線Ｌ１を通過する電流を計測する電流センサ３６の出力を取得して監視する。

電力変換器５１は、太陽電池２２が発電した直流電力を、系統電源２１と等価である交流電力に変換する第１の変換回路と、蓄電池２３の充電および放電を行う第２の変換回路とを備える。また、電力変換器５１は、連系ブレーカ３３に接続される第１の接続部と、トランス５２に電力を供給する第２の接続部とを備える。

第１の接続部は、連系ブレーカ３３を介して配電線Ｌ１に接続され、系統連系が可能になっている。具体的には、第１の接続部は、単相３線式であって、接続線Ｌ６を通して連系ブレーカ３３と接続される。主幹ブレーカ３１の１次側である配電線Ｌ１に連系ブレーカ３３を介して接続される。以下では、電力変換器５１における第１の接続部を連系端子５５と呼ぶ。

接続線Ｌ６は、太陽電池２２が発電した電力あるいは蓄電池２３に蓄電した電力から得られた交流電力を分電盤３０の主幹ブレーカ３１に供給する経路、あるいは太陽電池２２が発電した電力を配電線Ｌ１に逆潮流させる経路として用いられる。また、接続線Ｌ６は、配電線Ｌ１を通して系統電源２１から供給される電力を用いて蓄電池２３を充電する経路としても用いられる。連系端子５５の端子間の電圧は電力系統２０の線間電圧によって決まめられる。

一方、電力変換器５１の第２の接続部は、系統電源２１から受電可能である期間はトランス５２に電力を出力せず、系統電源２１から受電不能である期間はトランス５２に電力を出力する。系統電源２１から受電可能か否かは、電力変換器５１が連系端子５５における端子間の電圧を用いて判断する。第２の接続部は単相２線式であって、トランス５２の１次側と２線で接続され、トランス５２への電力の出力のみを行う。第２の端子部の端子間の電圧は定電圧（たとえば、２００Ｖ）に保たれる。以下では、電力変換装置５０において、トランス５２の２次側に設けられる端子を自立端子５６と呼ぶ。したがって、自立端子５６が出力する電力は、太陽電池２２と蓄電池２３との少なくとも一方に由来する。自立端子５６は、単相３線に対応した接続線Ｌ７を通して電源選択器４４に接続される。

電力変換装置５０は、利用者による動作の指示および監視を可能にするために、リモコン５４と通信する。リモコン５４は、電力変換装置５０の動作状態を可視化する機能のほか、電力変換装置５０の動作モードを選択する機能も有している。電力変換装置５０の動作モードについては後述する。電力変換装置５０が、太陽電池２２と蓄電池２３との電力を連系端子５５から出力するか自立端子５６から出力するかは、系統電源２１から受電可能か否かの状態と、電力変換装置５０の動作モードとに応じて定められる。

需要家において主幹ブレーカ３１の１次側の配電線Ｌ１には、系統電源２１から受電した電力を計量するために電流センサ３５が配置される。また、配電線Ｌ１において、電流センサ３５と主幹ブレーカ３１との間には、系統電源２１への逆潮流を検出するために上述した電流センサ３６が配置される。電流センサ３６は、配電線Ｌ１において主幹ブレーカ３１と連系ブレーカ３３との接続点より系統電源２１に近い位置で電流を監視する。

電流センサ３５は計測装置６３に接続され、計測装置６３は、電流センサ３５が計測した電流値に基づいて系統電源２１から受電した電力を計測する。計測装置６３は、電力変換器５１との通信により太陽電池２２の発電量の情報を取得し、また、蓄電池２３の充電および放電に関する情報を取得する。一方、電流センサ３６の出力は電力変換装置５０に入力され、電力変換装置５０は、電流センサ３６の出力に基づいて需要家から系統電源２１に対する逆潮流が生じているか否かを判断する。電流センサ３６は、単相３線における２本の電圧線を通過する電流を個別に検出するように配置される。

需要家から系統電源２１に対する逆潮流が生じているか否かは、電流センサ３６が監視する電流の位相と、連系端子５５における端子間の電圧の位相との関係を用いて判断される。連系端子５５における端子間の電圧は、連系端子５５に電気的に接続された配電線Ｌ１の線間電圧と同電圧かつ同位相になる。したがって、電力変換装置５０は、連系端子５５における端子間の電圧波形と、電流センサ３６が監視する電流波形とを用い、電圧波形の１周期分について電力を積分した積分値の符号によって、逆潮流が生じているか否かを判断する。

上述したように、電源選択器４４は、自立分電盤４０の主幹ブレーカ４１に、接続線Ｌ３と接続線Ｌ７との一方を選択して接続する。電源選択器４４は、電力変換器５１からの指示により、自立分電盤４０に接続線Ｌ３を接続する状態と、自立分電盤４０に接続線Ｌ７を接続する状態とを選択する。つまり、自立分電盤４０は、系統電源２１から電力が供給されている期間に分電盤３０を通して電力が供給され、系統電源２１からの電力が停止する期間に電力変換装置５０から分電盤３０を通さずに電力が供給される。

電力変換装置５０は、計測点切替装置１０に切替信号による指示を与える切替指示部５３を備える。切替指示部５３は、系統電源２１から電力が供給されている期間と、系統電源２１からの電力が停止する期間とを示す切替信号を計測点切替装置１０に与え、この切替信号は計測点切替装置１０を通して燃料電池２４にも伝送される。

計測点切替装置１０は、燃料電池２４が監視する電流値を、分電盤３０に内蔵された電流センサ３４と、接続線Ｌ７を通過する電流を計測する第２の電流センサ（電流センサ４５）とのどちらから取得するかを選択する。すなわち、計測点切替装置１０は、系統電源２１から電力が供給されている期間には電流センサ３４を燃料電池２４に接続し、系統電源２１からの電力が停止している期間には電流センサ４５を燃料電池２４に接続する。

燃料電池２４は、系統電源２１に対する電力の逆潮流が禁止されているから、電流センサ３４，４５が監視する電流に基づいて、逆潮流の発生の有無を判断する。すなわち、燃料電池２４が発電を行っている期間に、需要家で消費されない電力が生じているか否かを監視するために、電流センサ３４と電流センサ４５との出力を用いる。燃料電池２４が発電した電力は電流センサ４３が監視する。電流センサ４３は、燃料電池２４と分岐ブレーカ３２とを接続する接続線Ｌ５を通過する電流を監視する。電流センサ４３の出力は、計測装置６３に入力され、計測装置６３は接続線Ｌ５を通過する電力を管理する。

一方、電流センサ３４，４５の出力は燃料電池２４に入力され、燃料電池２４は電流センサ３４，４５の出力に基づいて燃料電池２４から出力された電力が需要家で消費されているか否かを判断する。燃料電池２４から出力された電力に、需要家で消費されていない電力が含まれているか否かは、電流センサ３６の出力と同様に、電圧と電流との位相の関係に基づいて判断される。

また、燃料電池２４は、電力変換装置５０との間で計測点切替装置１０を通して通信する。つまり、系統電源２１から受電可能か否かを表す信号が、計測点切替装置１０だけではなく、電力変換装置５０から燃料電池２４にも通知され、電力変換装置５０の連系端子５５と自立端子５６とのどちらから電力が出力されているかが燃料電池２４にも通知される。図中において、電力変換装置５０と計測点切替装置１０との間を結ぶ一点鎖線、および計測点切替装置１０と燃料電池２４との間を結ぶ一点鎖線は、上述した信号の経路を示す。

なお、図１は系統電源２１から電力が供給されている状態を示し、破線で示されている接続線Ｌ７は電力が供給されていない状態を表している。また、図２は系統電源２１からの電力が停止している状態を示し、破線で示されている配電線Ｌ１、分岐線Ｌ２、接続線Ｌ３，Ｌ６は電力が供給されていない状態を示している。

上述したように、燃料電池２４は、自立分電盤４０とは接続線Ｌ５を通して接続されている。接続線Ｌ５は単相３線に対応しているから、図３に示すように、自立分電盤４０において、接続線Ｌ５を接続する分岐ブレーカ４２は、単相２線に対応した構成の他の分岐ブレーカ４２とは別構成であることが望ましい。燃料電池２４は、計測点切替装置１０と通信するための通信線Ｌ８、接地をとるための接地線Ｌ９、遠方で動作を管理するための通信線Ｌ１０などが接続可能である。

以下に本実施形態の動作を説明する。電力変換装置５０は、リモコン５４を用いて動作モードが選択される。電力変換装置５０は、経済優先モード（第１の動作モード）と、環境優先モード（第２の動作モード）と、蓄電優先モード（第３の動作モード）との少なくとも３種類の動作モードが選択可能なっている。

経済優先モードは、系統電源２１から購入する電力の対価を減少させ、かつ配電線Ｌ１への逆潮流によって得られる利益を増大させることを目的とした動作モードである。環境優先モードは、系統電源２１から購入する電力量を低減することを目的とした動作モードである。また、蓄電優先モードは、系統電源２１からの給電が停止した場合に備えて、蓄電池２３を、つねにほぼ満充電の状態に維持する動作モードである。

いま、一般負荷６０、特定負荷６１、管理装置６２などにより消費される電力が図４の特性Ｐ１のように増減し、太陽電池２２が発電する電力が図４の特性Ｐ２のように増減する場合を想定する。以下では、一般負荷６０、特定負荷６１、管理装置６２などにより消費される電力を一括して「消費電力」と呼ぶ。消費電力は、図１に示す状態では、分電盤３０に設けられた電流センサ３４が計測した電流値に基づいて求められる。また、消費電力は、図２に示す状態では、接続線Ｌ７に設けられた電流センサ４５が計測した電流値に基づいて求められる。

図４の下部には、時間帯の目安を表すために、「夜間」「朝」「昼間」「晩」の文字を記載している。「朝」「昼間」「晩」「夜間」は、系統電源２１から電力を購入する場合の電気料金の単価に対応する時間帯を表しており、「夜間」は電気料金の単価がもっとも安い時間帯に対応し、「昼間」「晩」は電気料金が高い時間帯に対応する。また、「朝」「昼間」は太陽電池２２の発電量が比較的多い時間帯であり、「晩」は太陽電池２２の発電がほぼ停止している時間帯、「夜間」は太陽電池２２から電力が得られない時間帯になる。

特性Ｐ１と特性Ｐ２とを組合せると、図４に示す４つの領域Ｄ１〜Ｄ４に区分される。領域Ｄ１，Ｄ２は太陽電池２２が停止している領域であるから、太陽電池２２以外の電源から電力を供給しなければならないことになる。また、領域Ｄ３，Ｄ４は太陽電池２２が発電している領域であり、領域Ｄ４は、太陽電池２２が発電した電力のうち消費電力を差し引いても余剰分（以下、「余剰電力」という）が生じることを表している。

経済優先モードは、領域Ｄ４の余剰電力が生じると、配電線Ｌ１に余剰電力の逆潮流を行うことによって売電収入を得るように動作する。また、蓄電池２３の充電は、太陽電池２２が発電した電力ではなく、電気料金の単価が安い「夜間」に系統電源２１から受電した電力で行う。また、蓄電池２３の放電は、「昼間」「晩」の時間帯に必要に応じて行う。

一方、環境優先モードは、領域Ｄ４の余剰電力を蓄電池２３の充電に用い、太陽電池２２から電力が得られない「晩」「夜間」に蓄電池２３から放電して消費電力に充当させるのである。この場合、蓄電池２３に蓄電された電力が消費電力を充足しない場合に、不足分を系統電源２１から受電することになるが、系統電源２１から受電する電力量が低減される。その結果、消費電力に充当する電力の大部分が再生可能エネルギーになり、環境負荷を低減するという目的に沿うことになる。

蓄電優先モードは、太陽電池２２が発電する電力に関係なく、蓄電池２３がほぼ満充電の状態になるまで充電し、充電が完了するとトリクル充電のような満充電に保つ充電を行うだけで、放電せずに待機する。この場合、系統電源２１からの給電が停止すると、蓄電池２３に蓄電された電力を用いて電力の供給を開始する。

上述した各動作モードの説明から明らかなように、蓄電池２３は、環境優先モードでは必要があればいつでも放電し、経済優先モードでは「昼間」「晩」にのみ放電が許可される。本実施形態は、蓄電池２３の放電が許容されたこれらの期間に、燃料電池２４の連携を可能にしている。

ここに、燃料電池２４が発電する電力には上限値があり、この上限値が太陽電池２２が発電する最大電力と比較して数分の１程度になるように、太陽電池２２と燃料電池２４との組合せが定められる。たとえば、太陽電池２２が発電する最大電力が３ｋＷであり、燃料電池２４が発電する電力の上限値が７５０Ｗである組合せが採用される。

燃料電池２４は、蓄電池２３の放電が許容されている上述した期間に、電流センサ３４または電流センサ４５が計測した電流値に基づいて求めた消費電力が、発電可能な電力の上限値以下である場合は、燃料電池２４の発電電力を消費電力に充当する。一方、燃料電池２４は、この期間に、計測した電流値に基づいて求めた消費電力が、発電可能な電力の上限値を超える場合は、蓄電池２３に蓄電された電力を不足分に充当する。

なお、経済優先モードにおいて蓄電池２３に充電する「夜間」の時間帯、環境優先モードにおいて余剰電力により蓄電池２３に充電する時間帯、蓄電優先モードが選択されている状態では、燃料電池２４から蓄電池２３に充電されないようにしている。つまり、分電盤３０における主幹ブレーカ３１の上流側に設けられた電流センサ３４を燃料電池２４に接続しているから、燃料電池２４から逆潮流が生じないように管理することが可能になっている。

ところで、燃料電池２４および電力変換装置５０は出力電力の変化に時間遅れがあるから、消費電力が急に変化した場合に、消費電力の変化にただちに追従することは難しい。電力変換装置５０の動作モードが環境優先モードであるとき、燃料電池２４が発電中か停止中かにかかわらず消費電力の変化に対して系統電源２１から受電する電力量はなめらかに収束しなければならない。また、燃料電池２４が発電している期間に、電力変換装置５０の運転中か停止中かにかかわらず消費電力の変化に対して系統電源２１から受電する電力量はなめらかに収束しなければならない。

図５に示す例は、上段が消費電力（特性Ａ１）と系統電源２１から受電する電力（特性Ａ２）を表し、下段が燃料電池２４から出力される電力（特性Ｂ１と電力変換装置５０から出力される電力（特性Ｂ２）を表している。

図からわかるように、特性Ｂ１で表される燃料電池２４の出力電力は、特性Ａ１で表される消費電力の変化に対して遅れを生じており、図示例では、応答の遅れによって、燃料電池２４の出力電力は、約２Ｗ／ｓの傾きで変化している。このとき、燃料電池２４から出力される電力では消費電力を充足できないから、特性Ａ２で表されているように、この傾きを相殺するように系統電源２１からの受電が行われる。

また、燃料電池２４の出力電力の上限値（図示例では７５０Ｗ）を超えると、特性Ｂ２で表されているように、蓄電池２３に蓄電された電力を消費電力に充当するように電力変換装置５０が運転を開始する。ただし、電力変換装置５０から出力される電力の立ち上がりには若干の遅れがあるから、この間に不足する電力は、特性Ａ２の時刻１６：５５：１２の付近に表されているように、系統電源２１から短時間だけ受電することになる。

図６に示す動作例は、系統電源２１から受電しない場合の動作であって、特性Ａ１は消費電力、特性Ｂ１は燃料電池２４の出力電力、特性Ｂ２は電力変換装置５０の出力電力を表す。図６の例では、燃料電池２４の出力電力が消費電力の変化に追従していない期間に、電力変換装置５０が出力する電力により消費電力に対する不足分が補充されている。

以下に、系統電源２１から電力が供給されない状態、つまり停電の場合の動作について説明する。電力変換装置５０は、計測装置６３または電流センサ３６の出力に基づいて停電を検出すると、連系ブレーカ３３を遮断して系統から解列する。電力変換装置５０は、リモコン５４の操作により、解列後に自動的に自立運転を開始するか手動で自立運転を開始するかが選択され、自立運転が開始されると、電源選択器４４の電磁継電器が切り替えられ、電力変換装置５０のトランス５２から自立分電盤４０に電力が供給される状態に移行する。この切替に時間遅れ（たとえば、最大５秒）がある場合には、時間遅れの期間は特定負荷６１、管理装置６２などに対する電力供給が一時的に停止する。

燃料電池２４の起動には電力が必要であるから、電力変換装置５０から自立分電盤４０を通して供給される電力を用いて燃料電池２４の起動が行われる。なお、燃料電池２４が運転中であれば、停電が生じても燃料電池２４の運転は継続される。

上述したように、燃料電池２４から出力される電力は上限値で制限されており、分電盤３０から給電される負荷６１が消費する電力を充足させることはできない。そのため、停電時には自立分電盤４０に接続されている特定負荷６１、管理装置６２などを給電の対象にする。電力変換装置５０は、計測点切替装置１０に指示を与えて、燃料電池２４の逆潮流を監視する計測点を切り替える。つまり、計測点切替装置１０は、停電していない期間には電流センサ３４を燃料電池２４に接続しているが、停電している期間には電流センサ４５を燃料電池２４に接続する。

なお、自立運転の期間において、消費電力が電力変換装置５０に許容された最大電力と、燃料電池２４の出力電力の上限値との和を超えると分岐線Ｌ４、接続線Ｌ５，Ｌ７の線間電圧が低下する。電力変換装置５０と燃料電池２４とは、この線間電圧の低下を検知すると、出力を停止し、リモコン２５，５４にエラーを表示する。

図７に計測点切替装置１０の概略構成を示す。図において電力変換装置５０の制御に関わる構成を処理部５００と記載し、燃料電池２４の制御に関わる構成を処理部２４０として記載している。計測点切替装置１０は、処理部２４０，５００と通信することにより燃料電池２４に接続する電流センサ３４，４５を決定する処理部１１を備える。これらの処理部１１，２４０，５００は、プログラムにより動作するプロセッサを備えるデバイスを主なハードウェア要素とする。この種のデバイスは、メモリを備えるマイコン、別のメモリと組み合わせて用いるプロセッサなどから選択される。なお、処理部１１と処理部２４０との間、および処理部１１と処理部５００との間はフォトカプラにより絶縁することが望ましい。

電流センサ３４は、上述のように、２本の電圧線（Ｕ相とＷ相）を個別に計測するように２個のカレントトランス３４１，３４２を備え、電流センサ４５も同様に、２本の電圧線（Ｕ相とＷ相）とを個別に計測するように２個のカレントトランス４５１，４５２を備える。したがって、計測点切替装置１０は、Ｕ相とＷ相とについてそれぞれカレントトランス３４１，３４２，４５１，４５２を選択するために、２個の切替器１２，１３を内蔵している。つまり、切替器１２はカレントトランス３４１とカレントトランス４５１との一方を選択し、切替器１３はカレントトランス３４２とカレントトランス４５２との一方を選択する。計測点切替装置１０は、処理部１１および切替器１２，１３を動作させるための電源部１４を備える。

図８に自立分電盤４０の別の構成例を示す。図示例は燃料電池２４を接続するための単相３線に対応する分岐ブレーカ４２Ａを、通常の単相２線の分岐ブレーカ４２とは別に設けている。また、主幹ブレーカ４１の上流側にサービスブレーカ４６を設け、最大電流を制限している。停電時に燃料電池２４に接続される電流センサ４５Ａ，４５Ｂは、サービスブレーカ４６と主幹ブレーカ４１との間の電路を通過する電流を計測するように配置されている。電流センサ４５Ａ，４５Ｂは、図７に示したカレントトランス４５１，４５２に対応し、Ｕ相とＷ相との電流を個別に計測する。なお、サービスブレーカ４６の有無は任意である。

以上説明した構成によって、太陽電池２２と蓄電池２３と燃料電池２４とを組み合わせて用い、電力変換装置５０の動作モードに応じて燃料電池２４を活用した結果、省エネルギーになった。また、系統電源２１から受電できる場合は、系統電源２１から受電する主幹ブレーカ３１の上流側に設けた電流センサ３４で計測した電流値を燃料電池２４が利用していることにより、燃料電池２４の発電電力の利用率が高くなった。その結果、給湯用の熱量不足が抑制された。

シミュレーションによれば、燃料電池２４を電力が不足した場合にのみ駆動する場合と比較すると、本実施形態の構成では、燃料電池２４の発電量が２倍以上になった。また、燃料電池２４の燃料となる燃料ガスをガス会社から購入した場合、ガス料金と電気料金との総和は、燃料電池２４を用いない場合の電気料金の総和よりも削減された。しかも、燃料電池２４を電力の不足を補うためにのみ用いる場合と比較すると、削減額は２倍以上であった。

なお、上述した実施形態において、コージェネレーション装置の例として燃料電池２４を示したが、ガスエンジンを用いた構成のコージェネレーション装置を採用することも可能である。上述した実施形態は本発明の一例であって、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。

Claims (7)

1. 系統電源と第１の負荷との間に接続される主幹ブレーカを備えた分電盤と、
   前記系統電源から電力が供給される期間に前記主幹ブレーカに電力を供給する連系端子、および前記系統電源からの給電が停止する期間に電力を取り出す自立端子を備えた電力変換装置と、
   前記系統電源から電力が供給される期間に前記分電盤から給電される一方、前記系統電源からの給電が停止する期間に前記電力変換装置の前記自立端子から給電され、かつ第２の負荷が接続される自立分電盤と、
   前記自立分電盤に接続され発電と湯沸かしとを行う構成であって、発電した電力は前記系統電源への逆潮流が禁止されているコージェネレーション装置と、
   前記コージェネレーション装置が出力する電力を定めるために、前記系統電源から電力が供給される期間には前記主幹ブレーカを通過する電流を監視する第１の電流センサを選択し、前記系統電源からの給電が停止する期間に前記電力変換装置から前記自立分電盤に供給される電流を監視する第２の電流センサを選択する計測点切替装置とを備え、
   前記電力変換装置は、前記連系端子と前記自立端子とのそれぞれから前記系統電源ではない他の電源の電力を出力するように構成され、
   前記コージェネレーション装置は、前記計測点切替装置に選択された前記第１の電流センサと前記第２の電流センサとの一方の出力を用いて、前記コージェネレーション装置から出力された電力が前記第１の負荷および前記第２の負荷で消費されるように出力を調節する
   ことを特徴とする電力供給システム。
2. 前記コージェネレーション装置は燃料電池である
   請求項１記載の電力供給システム。
3. 前記自立分電盤を、前記分電盤に接続する第１の状態と、前記電力変換装置の前記自立端子に接続する第２の状態とを選択する電源選択器をさらに備える
   請求項１又は２記載の電力供給システム。
4. 前記電力変換装置は、
   前記他の電源として、太陽電池と蓄電池とが接続可能であり、
   前記太陽電池が発電した電力と前記蓄電池に蓄電された電力との少なくとも一方を、前記系統電源から電力が供給される期間に前記連系端子から出力する一方、前記系統電源からの給電が停止する期間に前記自立端子から出力する構成であって、
   前記太陽電池が発電した電力かつ前記連系端子を通して出力する電力は、前記系統電源への逆潮流が可能になるように構成されている
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力供給システム。
5. 前記電力変換装置は、
   前記太陽電池が発電した電力のうち前記第１の負荷と前記第２の負荷とのどちらにも消費されない余剰電力の逆潮流を行い、かつ電気料金の単価が相対的に安い時間帯に前記蓄電池に充電する一方、電気料金の単価が相対的に高い時間帯に前記蓄電池から放電する第１の動作モードと、
   前記太陽電池が発電した電力のうちの前記余剰電力を前記蓄電池の充電に用い、かつ前記太陽電池が発電しない期間に前記蓄電池から放電する第２の動作モードと、
   前記蓄電池を満充電の状態に維持する第３の動作モードとが選択可能である
   請求項４記載の電力供給システム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力供給システムに用いられる電力変換装置。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力供給システムに用いられる計測点切替装置。

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