JP7045968B2

JP7045968B2 - パワーコンディショナおよび配電システム

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Publication number: JP7045968B2
Application number: JP2018190915A
Authority: JP
Inventors: 健水口; 恵亮野末; 三千彦寺山; 裕之岡田; 海鎮李
Original assignee: Nichicon Capacitor Ltd
Current assignee: Nichicon Capacitor Ltd
Priority date: 2018-10-09
Filing date: 2018-10-09
Publication date: 2022-04-01
Anticipated expiration: 2038-10-09
Also published as: JP2020061848A

Description

本発明は、パワーコンディショナおよび配電システムに関する。

近年、住宅や店舗、オフィスビルといった建物において、商用電力系統から供給される交流電力と、太陽電池や定置型の蓄電池、燃料電池、電動車に搭載された車載蓄電池といった直流電力源から供給される直流電力とを連系させ、配電する配電システムが開発されている。
このような配電システムでは、パワーコンディショナを用い、商用系統電力から供給される交流電力を直流電力に変換して直流電力源に蓄電するとともに、直流電力源から供給された直流電力を一般の電気機器等で使用可能な交流電力に変換する。

上記のパワーコンディショナには、図５に示すように、単相３線２００Ｖ／１００Ｖの商用電力系統５１０に、単相２線１００Ｖで系統連系するものがある。
このようなパワーコンディショナ２００では、パワーコンディショナ２００から系統への電力の入出力は、単相３線のうち、例えば、Ｕ、Ｏ相の２線間のみで行い、Ｗ相の線は、電流と電圧検出のためにのみ接続されている。
ここで、Ｗ相においても電流と電圧を検出するのは、系統連系規程に基づき、Ｕ相、Ｗ相の両方で、系統への逆電力防止と系統の過電圧／不足電圧検出が必要なためである。

パワーコンディショナ２００を含む蓄電システム等の給電設備を系統に連系する場合、太陽光発電等の一部の発電による逆潮流を除き、蓄電システムが系統側に出力する電力（逆電力）が発生しないことが系統連系規程で定められている。
これに対応するため、Ｕ相とＷ相に電流センサ（ＣＴ）４５１、４５２をパワーコンディショナ２００の系統受電端側に設け、電圧センサ２０５、２０６をパワーコンディショナ２００内部に設けて、系統からの受電端側の電力を監視できるようにする方法が用いられている。
そして、この電流センサが正しく設置されているかを確認するため、２台の電力変換部を用いて負荷が非接続の状態で配電線に交流電力を出力している（特許文献１参照）。

特開２０１７－９９０４９号公報

ここで、図５において、配電システム１０におけるパワーコンディショナ２００が接続されているＵ相（Ｕ相～Ｏ相間）では、例えば、家庭内の１００Ｖ負荷４２１の負荷電流がゼロに近い場合であっても、電源回路２０３や主回路（インバータ２０１、コンバータ２０２等）による消費電流が流れるため、電流センサ４５１に流れる電流がゼロにならず、電流センサ４５１で電流の向きを判別しにくいといった問題は生じない。

一方、配電システムにおけるパワーコンディショナ２００の主回路（インバータ２０１、コンバータ２０２等）が接続されていないＷ相（Ｏ相～Ｗ相間）では、家庭内１００Ｖ負荷４２２がゼロに近い場合、電流センサ４５２に流れる電流値が非常に小さくなり、かつ電流の向きも判別しにくくなるため、電流センサ４５２が正しい向きで正しく設置されているかどうかの判別や、電流センサ４５２の故障判別、電流センサ４５２の検出用信号線に異常がないかの判別等が難しくなるといった問題があった。

そこで、本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、家庭用負荷の消費電流が小さい場合であっても、電流センサの異常を的確に検知することができるパワーコンディショナおよび配電システムを提供することを目的とする。

形態１；本発明のパワーコンディショナは、単相３線の商用電力系統の受電端側の中性線以外の２相に電流センサを備えた配電システムにおいて、単相３線の商用電力系統に単相２線で連系されるパワーコンディショナであって、単相３線のうち商用電力系統と連系していない２つの相間に電流センサの異常を判別可能な大きさの電流を消費する負荷を接続したことを特徴としている。
また、本発明の配電システムは、単相３線の商用電力系統に単相２線で連系されるパワーコンディショナを含む配電システムであって、パワーコンディショナの受電端側の中性線以外の２相に電流センサが設けられ、単相３線のうち商用電力系統と連系していない２つの相間に電流センサの異常を判別可能な大きさの電流を消費する負荷を接続したことを特徴としている。
上記パワーコンディショナおよび配電システムによれば、商用電力系統と連系していない２つの相間に電流センサの異常を判別可能な大きさの電流を消費する負荷を設けたことから、家庭用負荷の消費電流が小さい場合であっても、従来では検知が困難であった電流センサに流れる電流の向きや蓄電システム等を設置する際に受電端に配置される電流センサの取付方向の間違い、電流センサの取付不完全、電流センサの故障、電流センサの信号線の断線等といった電流センサに係る異常を的確に検知することができる。

形態２；ここで、パワーコンディショナが商用電力系統からの交流電力を直流電力に変換して蓄電池に対する充電電力を生成可能なインバータを含む主回路を備えている場合には、前記負荷は、主回路以外で商用電力系統からの電力供給を受けて電流を消費する回路であってもよく、当該回路としては主回路を駆動するための電源回路を例示することができる。

形態３；また、前記負荷は、交流電流を流す電子部品であってもよい。

本発明によれば、家庭用負荷の消費電流が小さい場合であっても、電流センサの異常を的確に検知することができる。

本発明の第１の実施形態に係る配電システムの構成を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る配電システムにおける配電構成の詳細を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る配電システムにおける配電構成の変形例を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る配電システムにおける配電構成の詳細を示す図である。従来例に係る配電システムにおける配電構成の詳細を示す図である。

＜第１の実施形態＞
図１から図３を用いて、本発明の第１の実施形態について説明する。

＜配電システムの構成＞
以下、図１および図２を用いて、本実施形態に係る配電システム１０の構成について説明する。

本実施形態に係る配電システム１０は、図１に示すように、蓄電池システム用ブレーカ１１０と、パワーコンディショナ２００と、定置型蓄電池ユニット２４０と、電動車２６０に接続されるＶ２Ｈ（ＶｅｈｉｃｌｅｔｏＨｏｍｅ）スタンド２５０と、太陽電池モジュール（発電装置）３００と、主幹ブレーカ４１０と、分岐ブレーカ４２０と、切替スイッチ４３０と、重要負荷用分岐ブレーカ４４０とを含んで構成されている。
なお、図１に示すように主幹ブレーカ４１０の商用電力系統５１０側にエネファーム（登録商標）等の商用系統連系機器５００が接続される場合がある。

蓄電池システム用ブレーカ１１０には、商用電力系統５１０から常時、電力が供給されており、例えば、パワーコンディショナ２００や定置型蓄電池ユニット２４０に異常が発生した場合等に蓄電池システム用ブレーカ１１０が作動して、電路を開放する。

パワーコンディショナ２００は、蓄電池システム用ブレーカ１１０を介して商用電力系統５１０と接続されるとともに、例えば、太陽光により発電する太陽電池モジュール３００等の再生可能エネルギーを利用した発電モジュール、定置型蓄電池ユニット２４０やＶ２Ｈスタンド２５０を介して外部への給電機能を有する電動車２６０と接続可能とされている。

パワーコンディショナ２００は、例えば、太陽光等の再生可能エネルギーにより発電された直流電力（発電電力）および定置型蓄電池ユニット２４０からの直流電力（放電電力）をコンバータ２０２により所定の電圧に変換した後、インバータ２０１により交流電力に変換するとともに、Ｖ２Ｈスタンド２５０からの直流電力（放電電力）をインバータ２０１により交流電力に変換する。
変換された交流電力は、蓄電池システム用ブレーカ１１０を介して重要負荷および一般負荷に繋がる系統出力に供給可能となっている。
また、太陽電池モジュール３００からの発電電力および／または直流電力に変換された商用電力を充電電力として、コンバータを介して定置型蓄電池ユニット２４０および／またはＶ２Ｈスタンド２５０を介して電動車２６０に搭載された車載蓄電池２６１に充電することが可能となっている。
本実施形態においては、図２に示すようにパワーコンディショナ２００の受電端側のＵ相およびＷ相に設けられた電流センサ４５１、４５２からのセンサ出力信号により、電流センサの異常を検知する。

Ｖ２Ｈスタンド２５０は、図示しない双方向コンバータを内蔵し、当該双方向コンバータは、車載蓄電池２６１からの直流電力（放電電力）を昇圧した直流電力に変換する一方、インバータ２０１により直流電力に変換された商用電力を所定の直流電圧に変換した直流電力や太陽電池モジュール３００等の他の供給源からの直流電力を充電電力として車載蓄電池２６１に供給する。
なお、これらのコンバータとしては、例えば、昇圧または昇降圧チョッパ型コンバータを例示することができる。

また、Ｖ２Ｈスタンド２５０は、パワーコンディショナ２００と通信ケーブルで接続されており、パワーコンディショナ２００からの制御指令に基づき充放電制御されるとともに、当該通信ケーブルを用いて、パワーコンディショナ２００に、車載蓄電池２６１の状態等を出力可能となっている。

太陽電池モジュール３００は、太陽電池セルが複数配列され、これをガラスや樹脂、フレームで保護したものであり、一般的には、太陽光パネルあるいは太陽電池パネルと呼ばれるものである。

主幹ブレーカ４１０には、商用電力からの出力電力が常時、供給されており、例えば、漏電や過負荷、短絡等の要因で二次側の回路（負荷、電路等）に異常な過電流が流れたときには、主幹ブレーカ４１０が作動して、電路を開放する。
なお、主幹ブレーカ４１０は、トリップ機能を備えたブレーカである。

分岐ブレーカ４２０は、一端が主幹ブレーカ４１０と接続されるとともに、他端が、それぞれの一般負荷と接続されている。

切替スイッチ４３０は、商用電力系統５１０の出力側と自立出力側とに切替え可能となっている。通常時（商用電力連系時）には、切替スイッチ４３０は自立出力側に接続され、重要負荷には蓄電池システム用ブレーカ１１０およびパワーコンディショナ２００を介して商用電力が供給される。
また、一般負荷には主幹ブレーカ４１０を介して商用電力が供給される。一方、停電時には、商用電力系統５１０とパワーコンディショナ２００とが解列され定置型蓄電池ユニット２４０、Ｖ２Ｈスタンド２５０（車載蓄電池）および太陽電池モジュール３００の少なくとも１つに基づく電力がパワーコンディショナ２００から重要負荷に供給可能となっている。
また、パワーコンディショナ２００が故障した場合等、蓄電池システム用ブレーカ１１０がオフ状態のときには、切替スイッチ４３０を手動で系統出力側に切り替えることにより、重要負荷には主幹ブレーカ４１０を介して商用電力が供給される。

重要負荷用分岐ブレーカ４４０は、一端が切替スイッチ４３０と接続されるとともに、他端が、それぞれの重要負荷と接続されている。
ここで、重要負荷としては、照明、冷蔵庫、空調機器等を例示することができる。

なお、商用系統連系機器５００が系統出力に接続される場合には、当該商用系統連系機器５００からの供給電力を重要負荷および一般負荷に給電することが可能となっている。

＜パワーコンディショナとその周辺構成＞
パワーコンディショナ２００は、図２に示すように、インバータ２０１と、コンバータ２０２と、電源回路２０３と、制御部２０４と、電圧センサ２０５、２０６と、を含んで構成されている。
パワーコンディショナ２００は、単相３線の商用電力系統５１０に単相２線で系統連系されている。具体的には、単相３線のうちＵ相－Ｏ相（中性線）間の２線間にパワーコンディショナ２００（インバータ２０１）が接続されている。
また、商用電力系統５１０の受電端側の中性線以外の２相、すなわちＵ相およびＷ相には、それぞれ電流センサ４５１、４５２が設けられ、商用電力系統５１０の単相３線のうち、Ｕ相－Ｏ相間には、家庭用１００Ｖ負荷４２１が、Ｗ相－Ｏ相間には、家庭用１００Ｖ負荷４２２が設けられている。

インバータ２０１は、例えば、定置型蓄電池ユニット２４０、太陽電池モジュール３００、車載蓄電池２６１等からの直流電力（放電電力）を交流電力に変換する。
また、定置型蓄電池ユニット２４０や車載蓄電池２６１を充電するため、商用電力を直流電力に変換する。

コンバータ２０２は、例えば、定置型蓄電池ユニット２４０、太陽電池モジュール３００、車載蓄電池２６１等からの直流電力（放電電力）を昇圧した直流電力に変換する。
なお、例示したコンバータ２０２は、インバータ２０１により商用電力を所定の直流電圧に変換した直流電力や太陽電池モジュール３００等の他の供給源からの直流電力を充電電力として定置型蓄電池ユニット２４０に供給する双方向コンバータである。
なお、本実施形態においては、インバータ２０１とコンバータ２０２が、本発明の「主回路」に相当する。

電源回路２０３は、パワーコンディショナ２００内のインバータ２０１やコンバータ２０２等にこれらを駆動するための電源電圧を供給する。
なお、本実施形態に係る電源回路２０３は、商用電力系統５１０と連系していない２つの相間、Ｗ相－Ｏ相間の交流電力（１００Ｖ）から所望の直流電圧を生成する。
また、停電時には、定置型蓄電池ユニット２４０からコンバータ２０２を介して所望の直流電圧を生成する。

制御部２０４は、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）等に格納されている制御プログラムに従って、パワーコンディショナ２００全体の制御を行う。
制御部２０４は、電流センサ４５１、４５２からのセンス信号に基づいてそれぞれ、電流センサ４５１、４５２の異常を検知する。

電圧センサ２０５、２０６は、Ｕ相－Ｏ相間あるいはＷ相－Ｏ相間の交流電圧をモニタし、センス信号を制御部２０４に出力することにより、商用電力系統５１０の過電圧、不足電圧を検出したり、電流センサ４５１、４５２による検出値も用いて、商用電力系統５１０への逆電力を検出する。

電流センサ４５１、４５２は、Ｕ相あるいはＷ相の交流電流をモニタし、センス信号を制御部２０４に出力することにより、電圧センサ２０５、２０６による検出値も用いて、商用電力系統５１０への逆電力を検出する。

本実施形態においては、図２に示すように、パワーコンディショナ２００の電源回路２０３が、商用電力系統５１０のＷ相－Ｏ相間の交流電力（１００Ｖ）から所望の直流電圧を生成する構成となっている。
電流センサ４５２は、Ｗ相～Ｏ相間の家庭用負荷４２２の消費電流が小さくなると、目的とする電流センサの異常を検知することが出来なくなる。

そこで、本実施形態においては、新たに、商用電力系統５１０の単相３線（２００Ｖ／１００Ｖ）のうち、パワーコンディショナ２００と系統連系していない２つの相間（本実施形態では、Ｗ相－Ｏ相間）に電源回路２０３を接続している。
これにより、商用電力系統５１０と連系していない相（本実施形態では、Ｗ相）に対しても電流センサ４５２の異常を判別可能な大きさの電流（センサの特性にもよるが、例えば異常判別可能な電流閾値として２０ｍＡを例示することができる）を流す構成としたことから、家庭用負荷の消費電流が小さい場合に、従来では検知が困難であった電流センサ４５２に流れる電流の向きや蓄電システム等を設置する際に受電端に配置される電流センサ４５２の取付方向の間違い、電流センサ４５２の取付不完全、電流センサ４５２の故障、電流センサ４５２の信号線の断線等といった電流センサ４５２に係る異常を的確に検知することができる。

なお、図２では、電源回路２０３の電力をＷ相－Ｏ相間から得ることを例示したが、図３に示すように、電源回路２０３の電力をＵ相－Ｗ相間から得るようにしてもよい。
この場合は、商用電力系統５１０の単相３線（２００Ｖ／１００Ｖ）のうち、Ｏ相（中性線）以外の２つの相間（Ｕ相－Ｗ相間）に電源回路２０３を接続する。これにより、商用電力系統５１０と連系していない相（Ｗ相）に対しても電流センサ４５２の異常を判別可能な大きさの電流を流す構成としたことから、家庭用負荷の消費電流が小さい場合に、従来では検知が困難であった電流センサ４５２に流れる電流の向きや蓄電システム等を設置する際に受電端に配置される電流センサ４５２の取付方向の間違い、電流センサ４５２の取付不完全、電流センサ４５２の故障、電流センサ４５２の信号線の断線等といった電流センサ４５２に係る異常を的確に検知することができる。

また、本実施形態においては、商用電力系統５１０と連系していない相を含む２つの相間に接続する負荷として、電源回路２０３を例示したが、商用電力系統５１０からの電力の供給を受け、電流センサ４５２の異常を判別できるだけの電流が流れる回路等であれば、電源回路２０３に限るものではない。
また、このような負荷（電流消費回路）としては、パワーコンディショナ２００の内部に設けることが好ましいが、パワーコンディショナ２００の内部回路に限定されない。

＜第２の実施形態＞
図４を用いて、本発明の第２の実施形態について説明する。
配電システムの構成等は、第１の実施形態と同様であるため、その詳細な説明は省略する。

本実施形態にかかる配電システム１０Ａにおいては、図４に示すように、商用電力系統５１０のＷ相－Ｏ相間に電子部品２０７を設け、電子部品２０７の消費電流（電流センサ４５２の異常を判別可能な大きさの電流）をＷ相に流す構成となっている。

そこで、本実施形態においては、商用電力系統５１０の単相３線（２００Ｖ／１００Ｖ）のうち、商用電力系統５１０と連系していない２つの相間（本実施形態では、Ｗ相－Ｏ相間）に電子部品２０７を接続している。
これにより、商用電力系統５１０と連系していない相（本実施形態では、Ｗ相）に対しても電流センサ４５２の異常を判別可能な大きさの電流を流す構成としたことから、家庭用負荷の消費電流が小さい場合に、従来では検知が困難であった電流センサ４５２に流れる電流の向きや蓄電システム等を設置する際に受電端に配置される電流センサ４５２の取付方向の間違い、電流センサ４５２の取付不完全、電流センサ４５２の故障、電流センサ４５２の信号線の断線等といった電流センサ４５２に係る異常を的確に検知することができる。

なお、電子部品２０７としては、例えば、抵抗器やコンデンサを例示することができる。
特に、コンデンサの場合には、ノイズフィルタとしての機能も期待できるため好適である。

また、本実施形態においては、電子部品２０７として、抵抗器やコンデンサを例示したが、交流電流を流すことができる電子部品２７０であれば、これらに限るものではない。

以上、この発明の実施形態および実施例につき、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態あるいは実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１０；配電システム
１１０；蓄電池システム用ブレーカ
１３０；主幹ブレーカ
２００；パワーコンディショナ
２０１；インバータ
２０２；コンバータ
２０３；電源回路
２０４；制御部
２０５；電圧センサ
２０６；電圧センサ
２０７；電子部品
２４０；定置型蓄電池ユニット
２５０；Ｖ２Ｈスタンド
２６０；電動車
３００；太陽電池モジュール
４１０；主幹ブレーカ
４２０；分岐ブレーカ
４３０；切替スイッチ
４４０；重要負荷用分岐ブレーカ
４５１；電流センサ
４５２；電流センサ
５００；商用系統連系機器

Claims

単相３線の商用電力系統の受電端側の中性線以外の２相に電流センサを備えた配電システムにおいて、前記単相３線の商用電力系統に単相２線で連系されるパワーコンディショナであって、
前記単相３線のうち前記商用電力系統と連系していない２つの相間に前記電流センサの異常を判別可能な大きさの電流を消費する負荷を接続したことを特徴とするパワーコンディショナ。
前記商用電力系統からの交流電力を直流電力に変換して蓄電池に対する充電電力を生成可能なインバータを含む主回路を備えた請求項１に記載のパワーコンディショナであって、
前記負荷が、前記主回路以外で前記商用電力系統からの電力供給を受けて電流を消費する回路であることを特徴とするパワーコンディショナ。
前記負荷が、前記主回路を駆動するための電源回路であることを特徴とする請求項２に記載のパワーコンディショナ。
前記負荷が、交流電流を流す電子部品であることを特徴とする請求項１に記載のパワーコンディショナ。
単相３線の商用電力系統に単相２線で連系されるパワーコンディショナを含む配電システムであって、
前記パワーコンディショナが、前記請求項１から４のいずれかに記載のパワーコンディショナであることを特徴とする配電システム。