JP6229971B2

JP6229971B2 - 電源供給装置

Info

Publication number: JP6229971B2
Application number: JP2013217852A
Authority: JP
Inventors: 昂洋吉松; 晃吉武; 祐一郎寺本; 裕明湯浅
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2013-10-18
Filing date: 2013-10-18
Publication date: 2017-11-15
Anticipated expiration: 2033-10-18
Also published as: JP2015080392A

Description

本発明は、直流電力を出力する外部電源と交流電力で動作する電気負荷とが接続され、直流と交流との間で電力変換を行う変換器を備えた電源供給装置に関する。

従来、太陽電池（発電装置）で発電された直流電力を電力変換装置で交流電力に変換した後に、負荷に供給する装置が提供されている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１には、この種の装置において、電力系統から切り離された状態でも漏電や地絡を検出を可能とするために、インバータ部（変換器）の複数の出力端のうちで電力系統から切り離されている少なくとも１つの出力端を接地する技術が記載されている。

特許文献１には、インバータ部の入力側または出力側のいずれか一方で、直流電力の漏洩を監視し、漏電電流がしきい値を超えると、インバータ部の出力端と電力系統との間に設けられた解列開閉器を解列させる構成も記載されている。さらに、特許文献１には、漏電電流がしきい値を超えると、負荷への電力供給を停止させる技術も記載されている。

特開２０１２−２４９４５１号公報

特許文献１に記載された技術は、漏電が検出された場合、電力系統との連系を解除し、また負荷への電力供給を停止させることを目的にしている。一方、特許文献１に記載された技術では、漏電が検出された後も、発電装置の電力はインバータ部に供給されているから、直流電流の漏洩が継続して生じる可能性がある。

本発明は、電力変換を行う変換器において直流電流の漏洩が検出されたときに、直流電流の漏洩を遮断できるようにした電源供給装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電源供給装置は、直流電力を出力する外部電源と、直流と交流との間で電力変換を行う電力変換装置とを備えた電源供給装置であって、前記電力変換装置は、前記外部電源が電気的に接続される第１の接続端子と、交流電力で動作する電気負荷が電気的に接続される第２の接続端子と、直流と交流との間で電力変換を行う変換器と、前記第１の接続端子と前記第２の接続端子との間で直流電流の漏洩を監視する漏電監視部と、を備え、前記外部電源は、蓄電池と、前記蓄電池と前記第１の接続端子との間の電路に設けられた遮断器を備え、前記電力変換装置は、前記漏電監視部が直流電流の漏洩を検出すると前記遮断器を遮断させる制御部を備えることを特徴とする。

この電源供給装置において、前記電力変換装置は、前記外部電源の総数に基づく個数が設けられ直流と直流との間の電力変換を行うコンバータ部と、前記コンバータ部で共用され直流と交流との間の電力変換を行うインバータ部と、制御部とを備え、前記コンバータ部のうちの少なくとも１台は、トランスを備える絶縁コンバータと、自コンバータ部における直流電流の漏洩を監視する前記漏電監視部とを備え、前記制御部は、前記漏電監視部が直流電流の漏洩を検出すると前記遮断器に遮断信号を送信し、前記外部電源と前記電力変換装置との接続を遮断させることが好ましい。

この電源供給装置において、前記制御部は、前記漏電監視部が直流電流の漏洩を検出したことを内容とする通知信号を生成し、通知信号を表示器に送信することにより、前記表示器に前記内容を表示させる機能を有することが好ましい。

本発明の構成によれば、直流電力を出力する外部電源と電力変換を行う変換器との間の電路に遮断器を設け、直流電流の漏洩が検出されると、遮断器を遮断するから、直流電流の漏洩が継続することがないという利点を有する。

実施形態を示すブロック図である。

図１に示すように、電源供給装置は、第１の接続端子２１と第２の接続端子２２と変換器１１と遮断器３１と漏電監視部１２と制御部１３とを備える。第１の接続端子２１は、直流電力を出力する外部電源（蓄電池３４、太陽電池３５）が電気的に接続される。第２の接続端子２２は、交流電力で動作する電気負荷４３が電気的に接続される。変換器１１は、直流と交流との間で電力変換を行う。遮断器３１は、外部電源と変換器１１との間の電路に設けられる。漏電監視部１２は、第１の接続端子２１と第２の接続端子２２との間で直流電流の漏洩を監視する。制御部１３は、漏電監視部１２が直流電流の漏洩を検出すると遮断器３１を遮断させる。

電源供給装置は、直流電力を出力する外部電源（蓄電池３４、太陽電池３５）と、直流と交流との間で電力変換を行う電力変換装置６０とを備える。また、外部電源と電力変換装置６０とを接続する電路に遮断器３１を備える。電力変換装置６０は、コンバータ部１７とインバータ部１８と制御部１３とを備える。コンバータ部１７は、外部電源の総数に基づく個数が設けられ直流と直流との間の電力変換を行う。インバータ部１８は、コンバータ部１７で共用され直流と交流との間の電力変換を行う。コンバータ部１７のうちの少なくとも１台は、トランスを備える絶縁コンバータ（第１の変換部１１１）と、自コンバータ部１７における直流電流の漏洩を監視する漏電監視部１２とを備える。制御部１３は、漏電監視部１２が直流電流の漏洩を検出すると遮断器３１に遮断信号を送信し、外部電源と電力変換装置６０との接続を遮断させる。

この構成により、電力変換装置６０で監視した直流電流の漏洩（直流漏電）が検出されると、蓄電池３４が備える遮断器３１を遮断することが可能になる。

外部電源は、遮断器３１を備えた蓄電池３４であることが望ましい。この場合、制御部１３は、漏電監視部１２が直流電流の漏洩を検出すると遮断器３１に遮断信号を送信する機能を有することが望ましい。

制御部１３は、漏電監視部１２が直流電流の漏洩を検出したことを内容とする通知信号を生成し、通知信号を表示器５１に送信することにより、表示器５１に前記内容を表示させる機能を有することが望ましい。

以下、本実施形態をさらに詳しく説明する。本実施形態は、図１に示す電力変換装置６０に、上述した電源供給装置の技術を適用する場合を例として説明する。ただし、電力変換装置６０は、図１に示す構成に構成に限らず、他の構成を採用することも可能である。

すなわち、図示する電力変換装置６０は、蓄電池３４と太陽電池３５との両方を外部電源として接続可能であるが、蓄電池３４のみを接続可能とする構成、太陽電池３５に代えて風力発電機、水力発電機などを接続する構成などであってもよい。

電力変換装置６０は、コンバータ部１７とインバータ部１８と制御部１３とを主な構成要素とする。コンバータ部１７は、直流と直流との間で電力変換を行い、外部電源の総数に基づく個数のコンバータ部１７が設けられる。たとえば、後述する例のように、蓄電池３４が２系統、太陽電池（太陽電池モジュール）３５が５系統であれば、外部電源の総数は７系統であって、コンバータ部１７も７台設けられる。外部電源とコンバータ部１７とは必ずしも一対一に対応していなくてもよいが、メンテナンスを容易にするために、この構成を採用することが好ましい。

インバータ部１８は、すべてのコンバータ部１７で共用され、直流と交流との間の電力変換を行う。つまり、外部電源から出力される直流電力を交流電力に変換する場合、インバータ部１８は、それぞれのコンバータ部１７から出力される直流電力を交流電力に変換する。一方、蓄電池３４の充電のためにインバータ部１８に交流電力が入力される場合には、インバータ部１８は交流電力を直流電力に変換し、蓄電池３４が接続されたコンバータ部１７に対して直流電力を出力する。

図示する電力変換装置６０は、外部電源である蓄電池３４と太陽電池３５とが接続される第１の接続端子２１を備える。図示例において、第１の接続端子２１は、蓄電池３４が接続される端子２１１と、太陽電池３５が接続される端子２１２とを備える。蓄電池３４を接続する端子２１１および太陽電池３５を接続する端子２１２のそれぞれの系統数は適宜に選択される。たとえば、２系統（２台）の蓄電池３４が接続されるように端子２１１が２組設けられ、５系統（５枚）の太陽電池３５が接続されるように５組の端子２１２が設けられる。ただし、端子２１１，２１２の個数は一例であって、様々な仕様に構成することができるのは言うまでもない。

また、電力変換装置６０は、電気負荷４３が接続される第２の接続端子２２を備える。第２の接続端子２２は、分電盤４２に設けられた主幹ブレーカ（図示せず）の１次側（系統電源側）に接続される連系端子２２２と、主幹ブレーカの２次側に接続される自立端子２２１とを備えている。連系端子２２２は、系統電源（商用電源）から受電可能な期間に、主幹ブレーカの１次側に変換器１１を接続し、自立端子２２１は、系統電源が停電している期間に、主幹ブレーカの２次側に変換器１１を接続する。

変換器１１は、蓄電池３４の充電と放電とを行うために直流電力と直流電力との間で双方向に変換する第１の変換部１１１と、太陽電池３５が発電した直流電力を直流電力に変換する第２の変換部１１２とを備える。また、変換器１１は、第１の変換部１１１および第２の変換部１１２が出力する直流電力を、交流電力に変換する第３の変換部１１３を備える。第１の変換部１１１と第２の変換部１１２とは、それぞれコンバータ部１７を構成する要素であって、直流と直流との間で電力変換を行う。また、第１の変換部１１１は双方向に変換する機能を有する。第３の変換部１１３は、インバータ部１８を構成する要素であって、直流と交流との間で双方向に電力変換を行う機能を有する。

第１の変換部１１１と第２の変換部１１２とは、端子２１１，２１２の系統ごとに設けられる。たとえば、端子２１１を２組設けている場合、第１の変換部１１１は２個設けられ、端子２１２を５組設けている場合、第２の変換部１１２は５個設けられる。第３の変換部１１３は、第１の変換部１１１および第２の変換部１１２のすべてで共用される。

第１の変換部１１１は、トランスを備え、いわゆる絶縁コンバータを構成している。つまり、第１の変換部１１１は、第１の接続端子２１と第３の変換部１１３との間に絶縁トランスを備える絶縁型に構成されている。本実施形態において、第２の変換部１１２および第３の変換部１１３は、トランスを含むことを想定していないが、トランスを含む構成を採用することが可能である。

第１の変換部１１１と端子２１１（第１の接続端子２１）との間には、コンバータ部１７の構成要素として漏電監視部１２が設けられる。漏電監視部１２は、自コンバータ部１７における直流電流の漏洩を監視し、蓄電池３４と第１の変換部１１１との間で直流電流が流れる経路において漏電の発生を検出する。この種の直流漏電の検出技術は種々知られているが、本実施形態では、２個の抵抗器の直列回路を用い、この直列回路の中点を接地した構成を想定している。

端子２１２（第１の接続端子２１）は、漏電監視のための回路および解列器（リレー）を備える接続箱（図示せず）を介して太陽電池３５に接続される。したがって、第２の変換部１１２と第１の接続端子２１との間には遮断器は設けられない。

コンバータ部１７およびインバータ部１８は、それぞれ雑音防止用のフィルタ、過電圧に対する保護回路などを備えるが図では省略している。

連系端子２２２および自立端子２２１は、切替器１４を介して第３の変換部１１３と接続される。切替器１４は、第３の変換部１１３を、連系端子２２２と自立端子２２１との一方に選択的に接続する。すなわち、切替器１４は、２個のリレーを用いて構成され、２個のリレーのうちの一方のみがオンになるように制御部１３に制御される。つまり、第３の変換部１１３は、連系端子２２２と自立端子２２１との一方に選択的に接続される。なお、自立端子２２１と切替器１４との間には、トランス１６が挿入される。トランス１６は、２線から３線に変換するために用いられ、第３の変換部１１３から２線で出力された交流電力を、単相３線方式に変換する。なお、トランス１６は必須ではない。

変換器１１、切替器１４などの動作は、制御部１３が制御する。また、制御部１３は、漏電監視部１２による監視結果を受け、漏電監視部１２が漏電を検出した場合には、遮断器３１を遮断する制御を行う。制御部１３は、プログラムに従って動作するプロセッサを備えたデバイスを主なハードウェア要素として備える。この種のプロセッサはメモリが別に必要な構成のほか、プロセッサがメモリと一体であるマイコン（マイクロコントローラ）であってもよい。プログラムは、ＲＯＭ（Read Only Memory）に書き込まれていてもよいが、プログラムのアップデートが可能になるように、インターネットのような電気通信回線を通して提供されるか、コンピュータで読取可能な記録媒体によって提供されることが望ましい。

制御部１３は、系統電源４０から受電可能な状態か、系統電源４０が停電している状態かに応じて、変換器１１の動作および切替器１４の動作を制御する。系統電源４０から受電可能か系統電源４０が停電しているかは、電流センサ（図示せず）により計測される電流を監視することにより判断される。この電流センサは、系統電源４０から受電した電力を需要家の電気負荷４３に供給する電路において、分電盤の主幹ブレーカ（図示せず）よりも上流側（系統電源４０側）に設けられる。電力変換装置６０は、この電流センサの出力を用いることにより、系統電源４０から受電可能か、系統電源４０が停電しているかを判断する。

系統電源４０から受電可能である期間には、制御部１３は、第３の変換部１１３の交流側の端子を連系端子２２２に接続するように切替器１４を制御する。連系端子２２２は、分電盤の上流側（一次側）に接続され、蓄電池３４と太陽電池３５との少なくとも一方に由来する電力を、系統電源４０から受電した電力と併せて分電盤４２に与える。したがって、系統電源４０から受電可能な期間は、分電盤４２に接続された電気負荷４３に系統電源４０と蓄電池３４と太陽電池３５とのいずれかからの電力が供給される。

このとき、電気負荷４３で消費する電力よりも太陽電池３５に由来する電力のほうが多ければ、太陽電池３５が発電した電力を電力系統４１に逆潮流させることが可能である。系統電源４０から受電した電力と、太陽電池３５が発電した電力とは、蓄電池３４の充電に利用することも可能である。ただし、蓄電池３４に由来する電力は、電力系統４１に逆潮流させることが禁止される。

このように、連系端子２２２は、系統電源４０から受電した電力で蓄電池３４を充電する経路と、蓄電池３４と太陽電池３５とから出力された電力を系統電源４０と等価な電力として主幹ブレーカの１次側に供給する経路とに用いられる。連系端子２２２を通して主幹ブレーカの１次側に供給された電力のうち太陽電池３５が発電した電力は、電気負荷４３で消費されるか、電力系統４１に逆潮流される。連系端子２２２を通して主幹ブレーカの１次側に供給された電力のうち蓄電池３４から出力された電力は、電力系統４１に逆潮流されず、電気負荷４３で消費されるように、第１の変換部１１１の出力が調節される。また、太陽電池３５が発電した電力は、連系端子２２２に供給されるだけではなく、必要に応じて蓄電池３４の充電に用いられる。

一方、系統電源４０が停電している期間には、制御部１３は、第３の変換部１１３の交流側の端子をトランス１６を通して自立端子２２１に接続する。自立端子２２１は、系統電源４０の停電時に動作させる必要がある図示しない電気負荷（以下、「特定負荷」という）に、蓄電池３４と太陽電池３５との電力を供給するために設けられている。自立端子２２１は、分電盤４２において主幹ブレーカの２次側に接続される。自立端子２２１から特定負荷に電力を供給するには、特定負荷だけを接続した自立分電盤を設けるか、分電盤４２に設けられた一部の分岐ブレーカに特定負荷を接続する。そして、系統電源４０の停電時には、自立端子から特定負荷への経路のみが導通するように、電力の供給経路を制御する。

系統電源４０から受電可能か系統電源４０が停電しているかに応じて第３の変換部１１３に連系端子２２２と自立端子２２１との一方を接続する処理、変換器１１の動作を制御する処理などは、制御部１３が行うが要旨ではないので、詳述しない。

ところで、変換器１１において、直流電流の漏洩（たとえば、直流地絡）を検出するための回路は、第１の変換部１１１および第２の変換部１１２と第３の変換部１１３との接続部に設けられる。第１の変換部１１１および第２の変換部１１２が非絶縁型であれば、この部位において直流電流の漏洩を監視すれば、電源供給装置において直流電力を用いている部位の全体について直流電流の漏洩を監視可能である。つまり、第１の変換部１１１および第２の変換部１１２と第３の変換部１１３との接続部で直流電流の漏洩を監視すれば、電源供給装置に関する直流電流の漏洩を１箇所で効率よく監視することが可能と考えられる。

しかしながら、本実施形態のように、第１の変換部１１１が絶縁コンバータである場合には、上述した部位で、直流電流の漏洩を監視しても、蓄電池３４と第１の変換部１１１との間の直流電流の漏洩を検出することができない。また、第２の変換部１１２に絶縁コンバータを用いたとすると、太陽電池３５と第２の変換部１１２との間の直流電流の漏洩を検出することができない。

このような問題を解決するために、本実施形態では、蓄電池３４と第１の変換部１１１との間に漏電監視部１２が設けられている。漏電監視部１２は、電力変換装置６０に内蔵される。また、蓄電池３４は遮断器３１を備える。つまり、蓄電池３４は、蓄電池のセル３３とともに遮断器３１をケース３２に内蔵する。遮断器３１は、制御部１３からの指示に応じて、蓄電池３４と第１の接続端子２１（端子２１１）との間の電路を開閉する機能を有する。

すなわち、漏電監視部１２が監視した内容は制御部１３に通知され、漏電監視部１２が直流電流の漏洩を検出すると、制御部１３は、遮断器３１に遮断信号を送信することにより、遮断器３１をオフにし、蓄電池３４と第１の接続端子２１（端子２１１）との間の電路を遮断する。つまり、制御部１３と遮断器３１との間では、通信により遮断信号が伝送される。制御部１３は遮断器３１との間で、たとえば、ＲＳ４８５仕様のシリアル通信を行う。このように、制御部１３は、漏電監視部１２が直流電流の漏洩を検出すると遮断器３１に遮断信号を送信し、外部電源と電力変換装置６０との接続を遮断させる。

電力変換装置６０には、表示器５１および操作器５２を備えるリモコン装置５０が接続される。表示器５１は、液晶表示器のようなフラットパネルディスプレイを用いて構成され、操作器５２は、タッチパネルあるいはスイッチを用いて構成される。リモコン装置５０は、制御部１３に通信インターフェイス部（以下、「通信Ｉ／Ｆ部」）１５を介して接続されている。通信Ｉ／Ｆ部１５は、制御部１３と併せて電力変換装置６０に内蔵されており、リモコン装置５０とはＲＳ４８５仕様のシリアル通信を行う。

制御部１３は、漏電監視部１２が直流電流の漏洩を検出したときに、遮断器３１に遮断信号を送信するだけではなく、通信Ｉ／Ｆ部１５を通してリモコン装置５０に通知信号を送信する。通知信号は、漏電監視部１２が直流電流の漏洩を検出したことを通知し、通知信号を受け取ったリモコン装置５０は、漏電監視部１２が直流電流の漏洩を検出したことを表示器５１に表示する。

なお、上述した構成例において、外部電源は、蓄電池３４に加えて太陽電池３５を用いる構成例を示したが、蓄電池３４のみであってもよい。また、自然エネルギーにより発電する発電装置であれば、太陽電池３５に代えて、風力、水力、地熱などのエネルギーを用いて発電する構成でもよい。また、上述した構成例では、外部電源である蓄電池３４と第１の接続端子２１（端子２１１）との間に遮断器３１を設けているが、第１の接続端子２１（端子２１１）と第１の変換部１１１との間に遮断器３１を設けることも可能である。

１１変換器
１２漏電監視部
１３制御部
２１第１の接続端子
２２第２の接続端子
３１遮断器
３４蓄電池
３５太陽電池
４３電気負荷
５１表示器
６０電力変換装置
２１１端子
２１２端子
２２１自立端子
２２２連系端子

Claims

直流電力を出力する外部電源と、直流と交流との間で電力変換を行う電力変換装置とを備えた電源供給装置であって、
前記電力変換装置は、
前記外部電源が電気的に接続される第１の接続端子と、
交流電力で動作する電気負荷が電気的に接続される第２の接続端子と、
直流と交流との間で電力変換を行う変換器と、
前記第１の接続端子と前記第２の接続端子との間で直流電流の漏洩を監視する漏電監視部と、を備え、
前記外部電源は、蓄電池と、前記蓄電池と前記第１の接続端子との間の電路に設けられた遮断器を備え、
前記電力変換装置は、前記漏電監視部が直流電流の漏洩を検出すると前記遮断器を遮断させる制御部を備える
ことを特徴とする電源供給装置。
前記電力変換装置は、
前記外部電源の総数に基づく個数が設けられ直流と直流との間の電力変換を行うコンバータ部と、
前記コンバータ部で共用され直流と交流との間の電力変換を行うインバータ部と、
制御部とを備え、
前記コンバータ部のうちの少なくとも１台は、
トランスを備える絶縁コンバータと、
自コンバータ部における直流電流の漏洩を監視する前記漏電監視部とを備え、
前記制御部は、前記漏電監視部が直流電流の漏洩を検出すると前記遮断器に遮断信号を送信し、前記外部電源と前記電力変換装置との接続を遮断させる
ことを特徴とする、請求項１に記載の電源供給装置。
前記制御部は、
前記漏電監視部が直流電流の漏洩を検出したことを内容とする通知信号を生成し、通知信号を表示器に送信することにより、前記表示器に前記内容を表示させる機能を有する
請求項１又は２記載の電源供給装置。