JP6521917B2 - 直流電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、可搬型の直流電源装置に関する。

原子力発電所内の電源系統には、通常、非常用の予備電源が設けられているが、東日本大震災では、津波の影響で予備電源が機能しなくなり、その結果として、原子炉の冷却機能喪失や核燃料損傷という事態に至った。このような事態を受けて施行された新規制基準には、原子力発電所から比較的離れた場所（津波の影響を受けにくい高所等）に可搬型の直流電源装置を配備すべきことが明記されている。

ところで、可搬型ではないものの、予備電源に関して特許文献１には、直流電源ユニット及び充電兼予備ユニットの垂下特性を、その運転状態に応じて制御することが記載されている。

特開２０１３−４６４５４号公報

特許文献１に記載の技術では、負荷への出力電流が定格電流を超えている場合、前記した垂下特性の制御によって、負荷への出力電圧が定格電圧未満に制限される。このような技術を、例えば、原子力発電所の冷却水ポンプを駆動する電動機（負荷）に適用すると、場合によっては、この電動機を起動できない可能性がある。電動機の起動直後には過渡的な大電流が流れ、この大電流に伴う電圧降下と、前記した出力電圧の制限と、が相まって、起動に要する所定の電圧が電動機に印加されないためである。災害等が発生したときでも負荷を適切に駆動できるように、信頼性の高い可搬型の直流電源装置を設けることが求められている。

そこで、本発明は、信頼性の高い可搬型の直流電源装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明は、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換し、前記直流電力を負荷に出力する交直変換器と、前記交直変換器の出力側に接続され、前記負荷の起動直後の過渡状態において前記負荷に直流電圧を印加する安定化用蓄電池と、前記交直変換器及び前記安定化用蓄電池を収容する可搬型の収容体と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、信頼性の高い可搬型の直流電源装置を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る直流電源装置を含む電源システムの構成図である。 本発明の第１実施形態に係る直流電源装置が備える交直変換器の構成図である。 本発明の第１実施形態に係る直流電源装置が備える収容体における各機器の配置を示す模式的な側断面図である。 本発明の第１実施形態に係る直流電源装置における電流・電圧の変化を示す説明図である。 本発明の第２実施形態に係る直流電源装置の構成図である。 本発明の第３実施形態に係る直流電源装置の構成図である。

≪第１実施形態≫
＜電源システムの構成＞
図１は、第１実施形態に係る直流電源装置３０を含む電源システム１００の構成図である。
なお、図１では、常設交流電源１１と常設交直変換器１２（「常設整流器」ともいう。）とを接続する三相の配線や、交流電源２１と交直変換器３１とを接続する三相の交流ケーブルｉの他、直流部分も一本線で図示している。

電源システム１００は、直流負荷１７（負荷）に電力を供給するシステムである。
図１に示すように、電源システム１００は、原子力発電所等の建屋Ｋの内部に設けられた各機器と、交流電源車２０と、可搬型の直流電源装置３０と、を備えている。
以下では、建屋Ｋ内に設けられた各機器、及び交流電源車２０について簡単に説明した後、本実施形態に係る直流電源装置３０について詳細に説明する。

図１に示す建屋Ｋ内は、常設交流電源１１と、常設交直変換器１２と、常設蓄電池１３と、交流電源盤１４と、直流電源盤１５と、遮断器１６ａ〜１６ｄと、複数の直流負荷１７（例えば、直流電動機）と、が設けられている。
常設交流電源１１で発電された交流電力は、遮断器１６ａ、交流電源盤１４、及び遮断器１６ｂを順次に介して常設交直変換器１２に入力され、この常設交直変換器１２において直流電力に変換される。さらに、前記した直流電力は、常設交直変換器１２から遮断器１６ｃ、直流電源盤１５、及び遮断器１６ｄを順次に介して、直流負荷１７に供給される。

また、災害等によって常設交流電源１１に不具合が生じた場合には、常設蓄電池１３から遮断器１６ｃ、直流電源盤１５、及び遮断器１６ｄを順次に介して、直流負荷１７に直流電力が供給されるようになっている。このように常設蓄電池１３は、非常時の予備電源として機能するが、その容量が限られおり、また、場合によっては、この常設蓄電池１３にも不具合が生じる可能性がある。そのような場合でも、長期間に亘って直流負荷１７に給電できるように、後記する交流電源車２０及び直流電源装置３０が配備されている。

図１に示すように、直流負荷１７は、遮断器１６ｄ、直流電源盤１５、遮断器１６ｆ、及び配線ｈを順次に介して、直流ケーブル接続口ｇに接続されている。常設交流電源１１等に不具合が生じた場合には、この直流ケーブル接続口ｇに直流ケーブルｊの一端が差し込まれ、可搬型の直流電源装置３０から直流ケーブルｊを介して、直流負荷１７に給電される。

交流電源車２０は、直流電源装置３０に交流電力を供給する電源車両である。交流電源車２０は、通常時には、津波の影響の少ない高所等に配備されている。そして、災害が発生して、常設交流電源１１等に不具合が生じた場合には、交流電源車２０が建屋Ｋの付近に自走又は牽引によって移動される。

図１に示すように、交流電源車２０は、交流電源２１を備えている。このような交流電源２１として、例えば、ガスタービン発電機を用いることができる。ガスタービン発電機は、図示はしないが、燃料が供給される燃焼器と、この燃焼器からの燃焼ガスの圧力によって回転し、互いに連結される圧縮機及びタービンと、タービン（又は圧縮機）に連結される発電機と、を備えている。このように、交流電源２１としてガスタービン発電機を用いることで、交流電源車２０からの給電を長期間に亘って行うことができる。
なお、交流電源２１は、ガスタービン発電機に限定されず、例えば、ディーゼル発電機であってもよい。

直流電源装置３０は、直流負荷１７に直流電力を供給する電源車両である。直流電源装置３０も交流電源車２０と同様に、通常時には、津波の影響の少ない高所等に配備されている。また、災害が発生して、常設交流電源１１等に不具合が生じた場合には、交流電源車２０とともに直流電源装置３０が建屋Ｋの付近に移動される。

図１に示すように、直流電源装置３０は、交直変換器３１と、安定化用蓄電池３２と、遮断器３３と、可搬型の収容体３４と、を備えている。
交直変換器３１は、交流電源２１から供給される交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を直流負荷１７に出力するコンバータである。交直変換器３１の入力側は、交流ケーブルｉを介して、交流電源２１に接続される。交直変換器３１の出力側は、遮断器３３、直流ケーブルｊ、配線ｈ、及び遮断器１６ｆ，１６ｄを順次に介して、直流負荷１７に接続される。

図２は、交直変換器３１の構成図である。
図２に示すように、交直変換器３１は、ブリッジ回路３１ａと、制御装置３１ｂと、平滑コンデンサ３１ｃと、を備えている。
ブリッジ回路３１ａは、サイリスタＳ１〜Ｓ６がブリッジ形に接続された回路である。Ｕ相に対応するサイリスタＳ１，Ｓ２について説明すると、平滑コンデンサ３１ｃの正側にカソードが接続されるサイリスタＳ１と、平滑コンデンサ３１ｃの負側にアノードが接続されるサイリスタＳ２と、の接続点がＵ相の配線に接続されている（Ｖ相、Ｗ相についても同様）。

制御装置３１ｂは、図示はしないが、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、各種インタフェース等の電子回路を含んで構成されている。そして、ＲＯＭに記憶されたプログラムを読み出してＲＡＭに展開し、ＣＰＵが各種処理を実行するようになっている。制御装置３１ｂは、サイリスタＳ１〜Ｓ６のゲートに所定のトリガ電流を流すことによって、交流電源２１からの三相交流電力を直流電力に変換する機能を有している。

平滑コンデンサ３１ｃは、ブリッジ回路３１ａから印加される電圧（脈流を含む直流電圧）を平滑化するコンデンサであり、ブリッジ回路３１ａの直流側に接続されている。

再び、図１に戻って説明を続ける。
安定化用蓄電池３２は、直流負荷１７の起動直後の過渡状態において、直流負荷１７の電圧を安定化させるための蓄電池である。このような安定化用蓄電池３２として、鉛蓄電池やリチウムイオン蓄電池等を用いることができる。
図１に示すように、安定化用蓄電池３２は、交直変換器３１の直流側に接続されている。また、安定化用蓄電池３２は、遮断器３３、及び直流ケーブルｊ等を介して、直流負荷１７に接続されている。

遮断器３３は、交直変換器３１と直流負荷１７との接続・遮断を切り替えるとともに、安定化用蓄電池３２と直流負荷１７との接続・遮断を切り替える機器である。図１に示すように、遮断器３３は、交流電源２１と安定化用蓄電池３２との接続点よりも出力側（
直流負荷１７側）に設けられている。

収容体３４は、交直変換器３１、安定化用蓄電池３２、遮断器３３等を収容する筐体である。

図３は、収容体３４における各機器の配置を示す模式的な側断面図である。
なお、図３では、直流電源装置３０を移動させるための駆動源であるエンジン等の図示を省略している。
図３に示す例では、変圧器（図示せず）を含む変圧器盤３５ｐと、交直変換器３１を含む交直変換器盤３１ｐ（「整流器盤」ともいう。）と、安定化用蓄電池３２を含む蓄電池盤３２ｐと、が直流電源装置３０の前後方向で所定の間隔を設けて順次に配置されている。

また、変圧器盤３５ｐと交直変換器盤３１ｐとの間の空間ｅや、交直変換器盤３１ｐと蓄電池盤３２ｐとの間の空間ｆは、作業員がメンテナンス等を行うために設けられている。また、収容体３４の後端付近には、直流ケーブルｊの収容空間である直流ケーブル収容部ｑが設けられている。

なお、収容体３４の平面視における面積（設置スペース）が小さくなるように、また、直流電源装置３０の重量が小さくなるように、安定化用蓄電池３２等の個数・配置を適宜に決めることが望ましい。

＜電流・電圧の変化について＞
災害によって常設交流電源１１等（図１参照）に不具合が生じた場合には、前記したように、交流電源車２０と直流電源装置３０とが交流ケーブルｉを介して接続され、直流電源装置３０と直流負荷１７とが直流ケーブルｊ等を介して接続される。そして、遮断器３３，１６ｆ，１６ｄが投入されることによって、交直変換器３１又は安定化用蓄電池３２から直流負荷１７に直流電力が供給される。以下では、直流負荷１７の起動直後の過渡状態と、その後の定常状態における電流・電圧の変化について説明する。

図４（ａ）は、直流負荷１７に流れる電流の変化を示す説明図である（適宜、図１を参照）。
なお、図４（ａ）の時刻ｔ０において遮断器３３，１６ｆ，１６ｄは開放状態であり、その後の時刻ｔ１において遮断器３３，１６ｆ，１６ｄが投入されたとする。このように遮断器３３，１６ｆ，１６ｄが投入されると、直流負荷１７の起動直後の過渡状態（時刻ｔ１〜ｔ４）において、直流負荷１７に一時的に大電流が流れる。直流負荷１７の一つである直流電動機は、起動時において逆起電力がゼロの状態だからである。図４（ａ）では、時刻ｔ３において定格電流Ｉｓの３倍程度の電流Ｉｐが直流負荷１７に流れる例を示したが、実際には、定格電流Ｉｓの１０倍程度の電流が流れることもある。

図４（ｂ）は、交直変換器３１の出力側の電圧の変化を示す説明図である。
図４（ｂ）に示す例では、時刻ｔ１までは、交直変換器３１の出力側の電圧が、直流負荷１７の定格電圧Ｖｓで維持されているが、直流負荷１７の起動直後（時刻ｔ１の直後）には、前記したように、直流負荷１７に大電流が流れるため（図４（ａ）参照）、直流ケーブルｊや配線ｈ等において大きな電圧降下が生じる。

一方、交直変換器３１が備えるサイリスタＳ１〜Ｓ６（図２参照）には所定の制御遅れが生じているため、過渡状態での電圧の変化に追従できないことが多い。したがって、図４（ｂ）の時刻ｔ１〜ｔ２では、交直変換器３１の出力側の電圧が低下している。

仮に、安定化用蓄電池３２が設けられていないとすると、前記した制御遅れと電圧降下とが相まって、図４（ｂ）の一点鎖線で示すように、交直変換器３１の出力側の電圧がさらに低下する。その結果、起動に要する所定値Ｖｈ以上（例えば、定格電圧Ｖｓの７５％以上）の電圧が直流負荷１７に印加されず、場合によっては、直流負荷１７を起動できない事態に陥る。

また、原子力発電所内（建屋Ｋ内：図１参照）の直流負荷１７には、直流電動機の他に制御機器等も含まれているため、起動直後の電圧変動を所定の許容範囲内に抑えることが望ましい。しかしながら、従来の可搬型の直流電源設備では、起動時の大きな電圧降下の影響で直流電動機（直流負荷１７）が起動しなかったり、また、電圧変動が制御機器（直流負荷１７）の許容範囲を超える可能性があった。

これに対して本実施形態では、交直変換器３１の出力側に安定化用蓄電池３２が接続されている。したがって、直流負荷１７の起動直後の過渡状態において、交直変換器３１の出力側の電圧が、安定化用蓄電池３２の満充電の電圧Ｖｆまで低下した時刻ｔ２から、定常状態に戻るまでの時刻ｔ５までは、安定化用蓄電池３２の直流電圧が直流負荷１７に印加される。つまり、交直変換器３１が負荷追従できない分の電圧が、安定化用蓄電池３２によって補われる。これによって、直流負荷１７の起動に要する所定値Ｖｈ以上の電圧が直流負荷１７に印加され続けるため、直流負荷１７を適切に起動できる。

なお、図４（ｂ）に示す例では、直流負荷１７を定常状態で駆動させているときの交直変換器３１の出力側の電圧（定格電圧Ｖｓ）が、安定化用蓄電池３２の満充電の電圧Ｖｆよりも高くなるように設定されている（Ｖｓ＞Ｖｆ）。

図４（ｃ）は、安定化用蓄電池３２の電圧の変化を示す説明図である。
図４（ｃ）に示す例では、時刻ｔ０〜ｔ２において安定化用蓄電池３２は満充電の状態であり、前記したように、時刻ｔ２から安定化用蓄電池３２の放電が開始される。
その後、直流負荷１７が過渡状態から定常状態に移行して、時刻ｔ４以後に定格電流Ｉｓが流れる状態になると（図４（ａ）参照）、それに伴って、交直変換器３１の出力側の電圧が、所定の電圧Ｖｇから定格電圧Ｖｓに戻る（図４（ｂ）の時刻ｔ４〜ｔ５）。

そして、交直変換器３１の出力側の電圧が、安定化用蓄電池３２の電圧を超える時刻ｔ４以後は、交直変換器３１を介して直流負荷１７に給電されるとともに、安定化用蓄電池３２が充電される。図４（ｃ）に示す例では、時刻ｔ６に安定化用蓄電池３２が満充電の状態に戻っている。

＜効果＞
第１実施形態によれば、常設交流電源１１や常設蓄電池１３に不具合が生じても、交流電源車２０及び可搬型の直流電源装置３０を建屋Ｋ付近に移動させ、直流電源装置３０等から直流負荷１７に給電できる。
また、直流負荷１７の起動直後の過渡状態において、交直変換器３１が負荷追従できない間は、安定化用蓄電池３２から直流負荷１７に所定の直流電圧が印加される。これによって、直流負荷１７に大容量の直流電動機が含まれている場合でも、直流負荷１７を適切に起動できる。

また、直流負荷１７には、前記したように、直流電動機の他に制御機器（図示せず）も含まれているが、直流電動機の過渡状態においても、制御機器の電圧変動を所定の許容範囲内に抑えることができる。

また、交直変換器３１の定格電圧Ｖｓは、安定化用蓄電池３２の満充電の電圧Ｖｆよりも高い（図４（ｂ）、図４（ｃ）参照）。したがって、直流負荷１７が過渡状態から定常状態に移行した後は、交流電源２１から交直変換器３１を介して直流負荷１７に給電するとともに、安定化用蓄電池３２の充電も行うことができる。

また、安定化用蓄電池３２は、直流負荷１７の起動直後の過渡状態において放電し、直流負荷１７が定常状態に戻った後は充電される。したがって、安定化用蓄電池３２は、過渡状態において直流負荷１７に給電できる分の容量を有していればよい。このように、本実施形態によれば、安定化用蓄電池３２の小容量化を図ることができ、ひいては、直流電源装置３０の軽量化・コンパクト化を図ることができる。

また、交流電源２１としてガスタービン発電機を用いることで、災害等が起こっても長期間に亘って直流負荷１７に給電し続けることができる。

≪第２実施形態≫
第２実施形態は、直流電源装置３０Ａ（図５参照）が変圧器３６をさらに備えている点が第１実施形態とは異なっているが、その他については第１実施形態と同様である。したがって、第１実施形態とは異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。

図５は、第２実施形態に係る直流電源装置３０Ａを含む構成図である。
図５に示すように、直流電源装置３０Ａは、交直変換器３１と、安定化用蓄電池３２と、遮断器３３と、収容体３４と、変圧器３６と、を備えている。

変圧器３６は、交流電源２１から印加される交流電圧を変化させ、変化後の交流電圧を交直変換器３１に印加する機器である。変圧器３６の１次側は、交流ケーブルｉを介して交流電源２１に接続されている。変圧器３６の２次側は、交直変換器３１の入力側（交流側）に接続されている。
なお、直流負荷１７の起動直後の過渡状態と、その後の定常状態における電流・電圧の変化については、第１実施形態（図４参照）と同様であるから、説明を省略する。

＜効果＞
第２実施形態によれば、交流電源２１の出力電圧が変圧器３６によって所定の交流電圧に変換され、この交流電圧が交直変換器３１に印加される。これによって、交直変換器３１を介して直流負荷１７に適切に給電できる。

≪第３実施形態≫
第３実施形態は、交流電源車２０を配備する代わりに、直流電源装置３０Ｂ（図６参照）の収容体３４内に交流電源２１を設ける点が、第１実施形態とは異なっている。なお、その他については第１実施形態と同様である。したがって、第１実施形態とは異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。

図６は、第３実施形態に係る直流電源装置３０Ｂを含む構成図である。
図６に示すように、直流電源装置３０Ｂは、交流電源２１と、交直変換器３１と、安定化用蓄電池３２と、遮断器３３と、収容体３４と、を備えている。
交流電源２１は、例えば、ガスタービン発電機であり、交直変換器３１の入力側（交流側）に接続されている。

図６に示すように、交流電源２１と、交直変換器３１と、安定化用蓄電池３２と、遮断器３３と、が収容体３４に収容されている。なお、直流負荷１７の起動直後の過渡状態と、その後の定常状態における電流・電圧の変化については、第１実施形態（図４参照）と同様であるから、説明を省略する。

＜効果＞
第３実施形態によれば、直流電源装置３０Ｂの収容体３４内に交流電源２１を設ける構成とすることで、交流電源車２０を別に設ける構成（図１参照）と比較して、設備コストを低減できるとともに、設置スペースも削減できる。

≪変形例≫
以上、本発明に係る直流電源装置３０等について各実施形態により説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、第１実施形態では、交直変換器３１（図２参照）がサイリスタＳ１〜Ｓ６を備える構成について説明したが、周知の三相ダイオードブリッジ回路を備えるコンバータ等、他の構成の交直変換器を用いてもよい。

また、各実施形態は、適宜組み合わせることができる。例えば、第２実施形態と第３実施形態とを組み合わせ、直流電源装置３０が変圧器３６を備えるとともに、交流電源２１を備える構成にしてもよい。

また、各実施形態では、直流電源装置３０等によって原子力発電所の直流負荷１７に給電する場合について説明したが、これに限らない。例えば、他の種類の発電設備や、通信設備、医療設備等への給電にも、各実施形態を適用できる。

また、各実施形態では、「負荷」に直流電動機が含まれる場合について説明したが、これに限らない。例えば、誘導電動機や同期電動機等、交流電力で駆動する「負荷」への給電にも各実施形態を適用できる。このような構成においては、交直変換器３１から入力される直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を「負荷」に出力するインバータがさらに設けられる。

また、各実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に記載したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、前記した機構や構成は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての機構や構成を示しているとは限らない。

１００ 電源システム
３０，３０Ａ，３０Ｂ 直流電源装置
３１ 交直変換器
３２ 安定化用蓄電池
３３ 遮断器
３４ 収容体
１７ 直流負荷（負荷）
２０ 交流電源車
２１ 交流電源
３６ 変圧器

Claims (5)

1. 交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換し、前記直流電力を負荷に出力する交直変換器と、
   前記交直変換器の出力側に接続され、前記負荷の起動直後の過渡状態において前記負荷に直流電圧を印加する安定化用蓄電池と、
   前記交直変換器及び前記安定化用蓄電池を収容する可搬型の収容体と、を備えること
   を特徴とする直流電源装置。
2. 前記負荷を定常状態で駆動させているときの前記交直変換器の出力側の電圧は、前記安定化用蓄電池の満充電の電圧よりも高いこと
   を特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
3. 前記交流電源から印加される交流電圧を変化させ、変化後の交流電圧を前記交直変換器に印加する変圧器を備えること
   を特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
4. 前記交直変換器及び前記安定化用蓄電池の他に前記交流電源も、前記収容体に収容されていること
   を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の直流電源装置。
5. 前記交流電源は、ガスタービン発電機であること
   を特徴とする請求項４に記載の直流電源装置。

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