JPWO2010046998A1 - 電力供給システム - Google Patents

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Abstract

この電力供給システム１００は、発電変動の大きな複数の風力発電機Ｇ２１〜Ｇ２３からの電力を複数の供給電力の変動を許容する契約電力消費源である充電器８１〜８３に供給する電力供給システムであって、電力供給分配手段７３は、風力発電機Ｇ２１〜Ｇ２３の発電する変動の大きな電力を、各契約電力消費源の管理者と合意した「契約短時間変動許容率」、「契約長時間変動許容率」の両方を満たすように、各契約電力消費源に電力を分配し、各契約電力消費源に接続された磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０のゲート位相を変化させ、各契約電力消費源の電力消費量を調整することにより、「発電量追従消費」を行う。

Description

本発明は、電力供給システムに関し、特に、再生可能エネルギー等の分散電源の電力変動が電力系統に周波数変動を与えないように制御する電力供給システムに関するものである。
電力系統の周波数は総消費電力に等しい発電量に常に一致するように制御されなければならず、差がある場合、数秒から数十秒の時定数で目標値である５０ヘルツまたは６０ヘルツから変動することになる。電源周波数が変化すると、送電線で連系する他の電力系統からの電力潮流が変化し、他の電力系統に変動が波及すると共に、連系送電線に過電流が発生するなど、障害が発生する可能性があるので、これを避けなければならない。周波数の制御は計画的な発電所の運用をベースに、時々刻々の変化に対して、目標周波数を維持するように、リアルタイム自動制御機能によって、水力発電、揚水発電、更に火力発電所の出力を変化させている。これによって、電力系統の周波数は、目標値の０．０５％以内の安定した精度範囲に制御されている。
しかし、大容量の負荷が突然投入された場合、過渡的状態では周波数が低下し、過渡状態を脱するのに数秒の時間を必要とする。同様に、発電電力の変動も系統の周波数に影響を与える。
ところで、近年、環境問題が取り沙汰されており、例えば、発電においても太陽光や風力等の自然エネルギーを利用した発電装置の利用が注目されている。この太陽光発電は、シリコン被膜を用いた太陽電池パネルを太陽光の方向に向けて受光し、光電変換原理に基づき太陽光エネルギーを利用して発電を行うものである。また、風力発電は、風力によって回転する風車を発電機に接続し、運動エネルギーを電気エネルギーに変換して発電を行うものである。これらの発電装置においては、太陽光や風力といった自然エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行うので、発電に際してＣＯ２の排出がない。したがって、クリーンなエネルギーとして注目されている。また、比較的小型の発電設備の構築が可能であることから、設置に広大な敷地や多大なコストを必要とせず、今後益々増加するものと予想されている。また、コージェネとして、企業が所有する自家発電所の電力を電力会社に供給する場合もあり、分散型電源への移行の流れがある。
このような、分散型電源の出力を負荷電力量に追従するため、及び目標発電量に合わせるための技術がいろいろ提案されている。（特許文献１及び２参照）また、分散型電源の電圧・周波数調整を目的とした分散型電源と地域送配電系統との協調制御、配電系統の電圧を調整するための制御アルゴリズムを確率した配電系統情報監視システムも提案されている。（特許文献３及び４参照）
しかしながら、分散型電源、特に自然エネルギーを利用する発電においては、発電量の管理が難しい面がある。すなわち、太陽光や風力といった比較的不安定な自然エネルギーに依存した発電であるので、発電量が不安定でバラツキが大きく、品質の高い電力供給が難しいという問題がある。これらは、再生可能エネルギーを利用した優れた発電装置であり、今後重要なエネルギー源として電力系統に接続される模様であるが、この普及が進めば周波数変動要因になる。
一方、電力を消費する側から見れば、例えばコンピュータ等の電源として電力を使用する場合などは、安定的に高品質な電力供給が要求されるが、電力消費源によっては、必ずしも高品質な電力供給を必要としない場合がある。例えば、電気温水器においては、過熱ヒータ電力が多少変動してもお湯を沸かす機能に問題は生じず、使用中に常時安定した高品質の電力供給を必要とするわけではない。
そこで、消費電力を制御する（出力を変動させてもよい）ことを許容する契約をした特定の需要家の負荷である「特定の負荷」を、その消費電力の時系列の総量が、電力系統に接続される複数の分散電源の発電量の時系列の総量に等しくなるように制御するための系統安定化システムが提案されている（特許文献５）。
この文献には、特定の負荷の消費電力の時系列の総量を、分散電源の発電量の時系列の総量に等しくすることにより系統の安定化を図る考え方が開示されているが、特定の負荷の消費電力の時々刻々の具体的な調整方法、総量をどのように一致させるかに関するものは見当たらない。
特開２００８−２２８４２２号公報 特開２００３−１７４７２３号公報 特開２００４−５６９９６号公報 特開２００５−２６９７４４号公報 特開２００６−３５３０７９号公報
本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、変動の大きい電源から電力系統に供給される時々刻々の電力量に、電力系統に接続された複数の電力変動を許容する電力消費源で消費する電力量を対応させることにより、自然エネルギー発電のような不安定な分散電源電力を有効に利用することのできる電力供給システムを提供することを例示的課題とする。
上記課題を解決するために、本発明の例示的側面としての電力供給システムは、電力系統から供給される電力の定格消費電力に対する瞬間変動率を所定の契約短時間許容変動率まで許容する複数の契約電力消費源に供給すべき、変動の大きい電力供給量を、所定の周期の分配タイミングで算出する電力供給量算出手段と、電力供給量を複数の契約電力消費源に、所定の周期の分配タイミングにて分配する電力供給分配手段と、複数の契約電力消費源のそれぞれに接続可能に構成された複数の負荷電力調整スイッチと、複数の負荷電力調整スイッチにそれぞれ接続された制御手段であって、電力供給分配手段からの分配信号に基づいて、接続している負荷電力調整スイッチの出力電圧の大きさと電流の位相を変化させることにより、負荷電力調整スイッチが接続している契約電力消費源に供給される電力の大きさを変化させる制御手段と、を備えた電力供給システムであって、電力供給分配手段は、複数の負荷電力調整スイッチがそれぞれ接続された複数の契約電力消費源であって、複数の契約電力消費源のそれぞれの定格消費電力に対して電力系統から供給する電力の瞬間変動率の長時間累積値である長時間累積変動率が所定の契約短時間許容変動率より小さい所定の長時間許容変動率を超えない複数の契約電力消費源を選択して、電力供給量を、選択されたそれぞれの複数の契約電力消費源に瞬間変動率が所定の契約短時間許容変動率を超えないように、分配するように構成されている。
制御手段は、変動の大きい電力供給量を、契約電力消費源のそれぞれの定格消費電力に対して電力系統から供給する電力の瞬間変動率の長時間累積値である長時間累積変動率が「所定の長時間許容変動率（後出の所定の契約短時間許容変動率より小さい）」を超えない契約電力消費源を選択して、選択された契約電力消費源に瞬間変動率が「所定の契約短時間許容変動率」を超えないように分配するように、負荷電力調整スイッチの出力電圧の大きさと電流の位相を制御することにより、変動の大きい電力供給量の複数の契約電力消費源への確実かつ安定な分配を行っている。すなわち、短時間では瞬間変動率を比較的大きい「契約短時間許容変動率」まで許容することにより、契約電力消費源全体として十分な電力変動吸収能力を確保しつつ、長時間では長時間累積変動率を小さな「長時間許容変動率」を超えないように調整することにより、各契約電力消費源の側の問題も生じない。
このシステムは、発電量の安定した発電装置による供給電力を、安定性が要求される電力消費源により消費させることを前提としている電力系統に影響を及ぼすことなく、発電量の安定しない発電装置による時々刻々と変動する供給電力を、供給電力の安定性を余り要求しない、供給電力の変動率を所定のレベルの変動まで許容することに合意した複数の契約電力消費源により消費させ、すなわち、低品質電力供給量に応じた消費側での「発電量追従消費」を実現することができる。更に、このシステムは、負荷電力調整スイッチと制御手段とを用いて、既存の電力供給システムを利用して本発明に係る電力供給システムを構築することができる。したがって、低コストでシステム構築を行うことができる。
なお、ここで、電力や発電量が変動し安定しないことを「低品質」と言い、変動が少なく安定していることを「高品質」と言うこととする。また、高品質を要求しない消費電力（低品質な消費電力）の代表例としては、例えば、電気自動車、プラグインハイブリッド自動車、電動アシスト自転車等の電気車両の充電、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、エアコン、洗濯機、温水器、揚水ポンプ、圧縮ポンプ用の電力が挙げられる。一方、高品質を要求する消費電力の代表例としては、例えばコンピュータ、ネットワーク機器、計測機器等の電子機器への供給電力が挙げられる。
複数の契約電力消費源は、それぞれ所定の契約短時間許容変動率として複数の短時間許容変動率のいずれかを設定でき、電力供給分配手段は、複数の契約電力消費源のそれぞれの瞬間変動率が、設定したそれぞれの所定の契約短時間許容変動率を超えないように分配する構成としてもよい。
このシステムによれば、電力消費源の実情に合わせた「契約短時間許容変動率」を設定でき、また許容する「契約短時間許容変動率」に応じた電力料金割引等もでき、電力消費源の管理者（使用者）が契約電力消費源に参加しやすくなる。
また、複数の契約電力消費源は、それぞれ所定の長時間許容変動率として複数の長時間許容変動率のいずれかを設定でき、電力供給分配手段は、複数の契約電力消費源のそれぞれの長時間累積変動率が、設定したそれぞれの所定の長時間許容変動率を超えない複数の契約電力消費源を選択する構成としてもよい。
このシステムによれば、電力消費源の実情に合わせた「長時間許容変動率」を設定でき、また許容する「長時間許容変動率」に応じた電力料金割引等もでき、電力消費源の管理者（使用者）が契約電力消費源に参加しやすくなる。
所定の長時間許容変動率は、複数の契約電力消費源のそれぞれの契約期間の契約長時間許容変動率であってもよい。
また、所定の長時間許容変動率は、複数の契約電力消費源のそれぞれの契約期間の終了時点で所定の契約長時間許容変動率に設定すると共に、契約期間の途中では契約長時間許容変動率より大きな値に設定してもよい。
このシステムによれば、「長時間許容変動率」は契約期間の途中では「契約長時間許容変動率」より大きな値であってもよいので、システムとしてそれぞれの契約電力消費源への電力供給の柔軟性が増える。また、この仕組みを許容することに応じた電力料金割引等もでき、電力消費源の管理者（使用者）が契約電力消費源に参加しやすくなる。
電力供給量を、分配タイミングにて、選択された複数の契約電力消費源に、選択された複数の契約電力消費源のそれぞれの瞬間変動率をそれぞれの所定の契約短時間許容変動率に応じて一律にして分配するように構成してもよい。また、電力供給量を、分配タイミングにて、選択された複数の契約電力消費源に、選択された複数の契約電力消費源のそれぞれの瞬間変動率をそれぞれの定格消費電力が大きいほど大きく分配するように構成してもよい。
選択された複数の契約電力消費源のそれぞれの瞬間変動率を一律に分配する方式では、分配に関する制御を簡潔にできる。一方、選択された複数の契約電力消費源のそれぞれの瞬間変動率をそれぞれの定格消費電力が大きいほど大きく分配する方式では、定格消費電力が大きい契約電力消費源を中心に配分できるため調整すべき契約電力消費源が少なくて済み、制御の安定性を増加できる。
電力供給量算出手段は、電力系統に接続された複数の発電電力変動の大きい発電装置の一部、又は全部に接続された複数の発電量検出手段からの出力に基づき電力供給量を算出する構成でよい。
契約電力消費源に配分すべき電力供給量を、電力系統に接続された複数の発電電力変動の大きい発電装置の一部、又は全部に接続された複数の発電量検出手段からの出力に基づいて算出するため、時々刻々と変動する「発電量」に応じた正確な「発電量追従消費」を実現できる。また、「発電量」の変動に追従した電力消費を行えばよいので、「発電量」に所定値を加えた値、又は「発電量」から所定値を減じた値を電力供給量とすることもできる。
また、複数の契約電力消費源のそれぞれの瞬間変動率は、所定の周期における、定格消費電力に対する瞬間変動率の変化が所定値を超えないように調整されてもよい。
このシステムによれば、急減な変化を避けるように設定されているため、契約電力消費源の機器に対する悪影響がない。
負荷電力調整スイッチは、４個の逆導通型半導体スイッチにて構成されるブリッジ回路と、ブリッジ回路の直流端子間に接続され、電流遮断時の電流の持つ磁気エネルギーを蓄積する磁気エネルギー蓄積コンデンサを備えた磁気エネルギー回生スイッチであって、ブリッジ回路の交流端子が契約電力消費源と電力系統にそれぞれ接続され、制御手段が各逆導通型半導体スイッチのゲートに制御信号を与えて、対角線上に位置する一方ペアの逆導通型半導体スイッチをオン、他方のペアの逆導通型半導体スイッチをオフにする動作を同時に、かつ電力系統の交流電源の周波数に同期して逆導通型半導体スイッチをオンにするペアとオフにするペアとを交互に切り替えるスイッチング動作をするように制御するとともに、電力供給分配手段からの信号に応じて、各逆導通型半導体スイッチのゲート位相を変化させ、交流電源に対するスイッチング動作の位相を変化させることにより、負荷電力調整スイッチの入力電圧の大きさと電流の位相を変化させる磁気エネルギー回生スイッチであるように構成してよい。
このシステムでは、契約電力消費源のそれぞれに接続される負荷電力調整スイッチとして磁気エネルギー回生スイッチを用いているので、後述の通り、ゼロスイッチングを行うことができ、それぞれの契約電力消費源における高調波ノイズの発生も少なく、電力損失も少ない。
また、磁気エネルギー回生スイッチが、２個の逆導通型半導体スイッチ及び逆導通型半導体スイッチに対向する２個のダイオードにより構成されたブリッジ回路と、前記２個のダイオードのそれぞれに対して並列に接続され都合２個の直列に接続された磁気エネルギー蓄積コンデンサと、を有する構成で置き換えた構成でもよい。
また、磁気エネルギー回生スイッチが、逆直列に接続された２個の逆導通型半導体スイッチと、直列に接続された２個の磁気エネルギー蓄積コンデンサと、を並列に接続し、該２個の逆導通型半導体スイッチの中点と該２個の磁気エネルギー蓄積コンデンサの中点同士に結線された配線と、を有する構成で置き換えた構成でもよい。
複数の発電電力変動の大きい発電装置は、太陽光発電装置、風力発電装置、又は地熱発電装置のうち少なくともいずれか１つであってもよい。
複数の契約電力消費源のそれぞれは、電気自動車、プラグインハイブリッド自動車、電動アシスト自転車等の電気車両の充電、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、エアコン、洗濯機、温水器用、揚水ポンプ、圧縮ポンプのうち少なくともいずれか１つであってよい。
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下添付図面を参照して説明される好ましい実施の形態によって明らかにされるであろう。
本発明によれば、電力変動の大きい電源から電力系統に供給される時々刻々の電力量に、電力系統に接続された複数の電力変動を許容する電力消費源で消費する電力量を対応させることにより、自然エネルギー発電のような不安定な供給電力を有効に利用することができる。
磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）組み込みシステムの基本構成を示す図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、制御部による磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）のスイッチング制御を説明するための図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、制御部による磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）のスイッチング制御を説明するための図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、制御部による磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）のスイッチング制御を説明するための図である。 磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）組み込みシステムの動作シミュレーション結果を示す図である。 磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）組み込みシステムを誘導性負荷に接続し、ゲート位相角を変化させたときの負荷電圧／定格電圧の概略値を示す図である。 磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）の他の態様を示す図である。 磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）の他の態様を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力供給システムの概略構成を示すブロック構成図である。 電力供給量算出手段の算出内容の概要を示す図である。 契約電力消費源情報蓄積装置の蓄積情報を説明するための図である。 電力供給分配手段の処理を説明するフローチャートである。 本発明の実施形態に係る電力供給システムのあるタイミングにおける制御の状態を説明する図である。
符号の説明
ＡＣ、ＡＣ：交流端子
Ｃ１〜Ｃ３：電気自動車
Ｄ：瞬間変動率
ＤＬｃｕｍ：長時間累積変動率
ＤＬｌｉｍ：長時間許容変動率
Ｄａｇ：契約短時間許容変動率
ＤＬａｇ：契約長時間許容変動率
Ｄｔａｒｇ：増減率（目標）
ＤＣ（Ｐ）、ＤＣ（Ｎ）：直流端子
Ｄ１、Ｄ２：ダイオード
Ｇ：発電装置
Ｇ１〜Ｇ４：ゲート
Ｇ１１〜Ｇ１２：安定発電装置
Ｇ２１〜Ｇ２３：風力発電機
Ｐｃ：契約電力消費源消費量（目標）
Ｐｃ０：契約電力消費源定格消費量
Ｐｓ：電力基礎供給量
Ｐｄ：電力供給量
Ｐ：コンピュータ
ＳＷ１〜ＳＷ８：逆導通型半導体スイッチ
１０：磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）組み込みシステム
２０：交流電源
２１〜２４：コネクタ
３０、３０ａ、３０ｂ、３１〜３３：磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）
３２、３３、３４、３５、３６：磁気エネルギー蓄積コンデンサ
４０〜４３：制御部（制御手段）
５０：誘導性負荷
５１〜５３：電力供給システム起動スイッチ
６１〜６３：発電量センサー
７０：電力制御部
７２：発電供給量算出手段
７３：電力供給分配手段
７４：契約電力消費源情報蓄積装置
７５〜７７：発電量信号受信部
８１〜８３：充電器（契約電力消費源）
９０：電力系統
１００：電力供給システム
発明を実施するための形態
以下、本発明に係る好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一又は同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組合せは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
本実施形態に係る電力供給システムは、電力変動の大きい発電電力を、複数の電力変動を許容する電力消費源に供給する、いわゆるネットワーク型の電力供給システムである。この電力供給システムは、複数の電力変動を許容する電力消費源に供給すべき電力供給量を算出する電力供給量算出手段と、電力供給分配手段と、複数の契約電力消費源のそれぞれに接続可能に構成され、電力消費源における負荷電力を調整する負荷電力調整スイッチと、負荷電力調整スイッチを制御する制御部（制御手段）と、を備える。この電力供給システムは、電力消費源と接続されると共に、時々刻々の発電情報を入力することにより、時々刻々の発電状況に応じて複数の電力変動を許容する電力消費源の電力消費量を制御する。
負荷電力調整スイッチは、例えば磁気エネルギー回生スイッチ(Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｓｗｉｔｃｈ：ＭＥＲＳ：以下、ＭＥＲＳと称する）である。制御部は、信号変換手段により変換されたデジタル信号に基づき磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）のゲート位相を制御することにより、電力消費源における消費電力（すなわち供給電力）を定格電力の範囲内において調整し、電力量変化させる機能を有する。
磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）は、例えば、逆阻止能力を持たない、すなわち逆導通型の半導体素子を４個用いて順逆両方向の電流をゲート制御のみでオン・オフ可能であり、かつ電流を遮断した際の電流の持つ磁気エネルギーを磁気エネルギー蓄積コンデンサに蓄積し、オンゲートが与えられた半導体素子を通して負荷側に放出することで磁気エネルギーをロスなく回生できるスイッチであり、このスイッチは、電流順逆両方向制御が可能なロスの少ない磁気エネルギー回生スイッチである。（例えば、特許第３６３４９８２号公報を参照。本特許公報では、フルブリッジ型の磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）を開示している。）。
磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）には、逆導通型の半導体素子として、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴやダイオードを逆並列接続したトランジスタ等の順方向制御が可能な半導体素子（以下、逆導通型半導体スイッチと称する）が用いられている。磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）は、この逆導通型半導体スイッチ４個で構成されるブリッジ回路と、ブリッジ回路の正極、負極に磁気エネルギーを吸収、放出する磁気エネルギー蓄積コンデンサを接続して構成される。そして、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）は、これら４個の逆導通型半導体スイッチのゲート位相を制御することで、電流をどちらの方向にも流すことが可能となっている。
また、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）は、ブリッジ接続された４個の逆導通型半導体スイッチのうち、対角線上に位置する２個の逆導通型半導体スイッチがペアとなり、２つのペアのオン・オフの切換動作を電源の周波数に同期して行い、一方のペアがオンの時は他方のペアがオフとなるように動作する。また、このオン・オフの切換タイミングに合わせて、磁気エネルギー蓄積コンデンサは磁気エネルギーの充放電を繰り返す。
そして、一方のペアにオフゲートが与えられ、他方のペアにオンゲートが与えられると、順方向に導通していた電流は他方のペアの第１のダイオード−磁気エネルギー蓄積コンデンサ−他方のペアの第２のダイオードという経路で流れ、これにより磁気エネルギー蓄積コンデンサに電荷を充電する。すなわち、電流の磁気エネルギーが磁気エネルギー蓄積コンデンサに蓄積される。電流遮断時の電流の磁気エネルギーは、磁気エネルギー蓄積コンデンサの電圧が上昇して電流がゼロになるまで磁気エネルギー蓄積コンデンサに蓄積される。コンデンサ電流がゼロになるまで磁気エネルギー蓄積コンデンサの電圧が上昇すると、電流の遮断が完了する。この時点で他方のペアには既にオンゲートが与えられているため、オンしている逆導通型半導体スイッチを通して磁気エネルギー蓄積コンデンサの電荷が負荷側に放電され、磁気エネルギー蓄積コンデンサに蓄積された磁気エネルギーが負荷側に回生される。
このように、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）は、４個の逆導通型半導体スイッチのうち対角線上に位置する２個の逆導通型半導体スイッチからなるペア２つのオン・オフのゲート位相を制御することで、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）の出力電圧の大きさと電流の位相を任意に制御することが可能である。
まず、負荷電力調整スイッチとしての磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）の構成及び動作を説明する。本実施形態では、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）を交流電源と誘電性負荷との間に直列に接続した磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）組み込みシステムとなっている。
図１は、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）組み込みシステム１０の基本構成を示す図である。図１において、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）組み込みシステム１０は、交流電源２０と、インダクタンスのある誘導性負荷５０を備える。交流電源２０と誘導性負荷５０との間には、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０が挿入されている。また、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）組み込みシステム１０は、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０のスイッチングを制御する制御部４０を備える。
磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０は、順逆両方向の電流を制御可能であり、磁気エネルギーをロスなく負荷側に回生できる磁気エネルギー回生スイッチである。磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０は、４個の逆導通型半導体スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４にて構成されるブリッジ回路と、ブリッジ回路のスイッチ遮断時に回路に流れる電流の磁気エネルギーを吸収する磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２とを備える。
ブリッジ回路は、逆導通型半導体スイッチＳＷ１と逆導通型半導体スイッチＳＷ４とが直列に接続され、逆導通型半導体スイッチＳＷ２と逆導通型半導体スイッチＳＷ３とが直列に接続され、それらが並列に接続されて形成されている。
磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２は、逆導通型半導体スイッチＳＷ１と逆導通型半導体スイッチＳＷ３との接続点にある直流端子ＤＣ（Ｐ）と、逆導通型半導体スイッチＳＷ２と逆導通型半導体スイッチＳＷ４との接続点にある直流端子ＤＣ（Ｎ）とに接続されている。また、逆導通型半導体スイッチＳＷ１と逆導通型半導体スイッチＳＷ４との接続点にある交流端子と、逆導通型半導体スイッチＳＷ２と逆導通型半導体スイッチＳＷ３との接続点にある交流端子とには交流電源２０と誘導性負荷５０とが直列接続されている。
磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０に配設された対角線上に位置する逆導通型半導体スイッチＳＷ１、ＳＷ２からなる第１のペアと、同じく対角線上に位置する逆導通型半導体スイッチＳＷ３、ＳＷ４からなる第２のペアが、電源周波数に同期して交互にオン・オフされる。すなわち、片方のペアがオンのとき他方のペアはオフとなる。そして、例えば、第１のペアにオフゲートが与えられ、第２のペアにオンゲートが与えられると、順方向に導通していた電流が第２のペアの逆導通型半導体スイッチＳＷ３−磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２−逆導通型半導体スイッチＳＷ４という経路で流れ、これにより磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２が充電される。すなわち、電流の磁気エネルギーが磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２に蓄積される。
電流遮断時の電流の磁気エネルギーは、磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２の電圧が上昇して電流がゼロになるまで磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２に蓄積され、コンデンサ電流がゼロになるまで磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２の電圧が上昇すると、電流の遮断が完了する。この時点で第２のペアには既にオンゲートが与えられているため、オンしている逆導通型半導体スイッチＳＷ３、ＳＷ４を通して磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２の電荷が誘導性負荷５０に放電され、磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２に蓄積された磁気エネルギーが誘導性負荷５０に回生される。
電流のオン・オフ時、誘導性負荷５０にはパルス電圧が印加されるが、電圧の大きさは磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２の静電容量に応じて逆導通型半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ４と誘導性負荷５０の耐電圧許容範囲内とすることができる。また、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０には、従来の直列力率改善コンデンサと異なり、直流のコンデンサを用いることができる。逆導通型半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ４は、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴからなり、それぞれゲートＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４を有する。逆導通型半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のチャネルには、それぞれボディダイオード（寄生ダイオード）が並列接続されている。
磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０には、ボディダイオードに加えて、逆導通型半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ４と逆並列にダイオードを加えてもよい。なお、逆導通型半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ４としては、例えば、ＩＧＢＴやトランジスタ等の素子にダイオードを逆並列接続したものを用いることもできる。
制御部４０は、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０の逆導通型半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチングを制御する。具体的には、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０のブリッジ回路における対角線上に位置する逆導通型半導体スイッチＳＷ１、ＳＷ２からなるペアのオン・オフ動作と、逆導通型半導体スイッチＳＷ３、ＳＷ４からなるペアのオン・オフ動作とを、一方がオンのとき他方がオフとなるように、半サイクル毎にそれぞれ同時に行うようゲートＧ１〜Ｇ４に制御信号を送信する。
続いて、制御部４０による磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０のスイッチング制御について詳細に説明する。図２（ａ）、（ｂ）、図３（ａ）、（ｂ）、図４（ａ）、（ｂ）は、制御部４０によるＭＥＲＳ３０のスイッチング制御を説明するための図である。
まず、磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２に充電電圧がない状態で、制御部４０が逆導通型半導体スイッチＳＷ１、ＳＷ２をオンにした場合、図２（ａ）に示すように、電流は逆導通型半導体スイッチＳＷ３、ＳＷ１を通る経路と、逆導通型半導体スイッチＳＷ２、ＳＷ４を通る経路を流れ、並列導通状態となる。
次に、交流電源２０の電圧が反転する前の所定のタイミング、例えば、約２ｍｓ前に、制御部４０は逆導通型半導体スイッチＳＷ１、ＳＷ２をオフにする。（これは、交流の周波数が５０Ｈｚの場合において、逆導通型半導体スイッチを制御するゲート位相角αが約３６ｄｅｇに相当する。）これにより、図２（ｂ）に示すように、電流は逆導通型半導体スイッチＳＷ３−磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２−逆導通型半導体スイッチＳＷ４を通る経路を流れる。その結果、磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２に磁気エネルギーが吸収（充電）される。本実施形態では、逆導通型半導体スイッチＳＷ１、ＳＷ２をオフにするタイミングで、逆導通型半導体スイッチＳＷ３、ＳＷ４をオンにしている。
磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２の充電が完了すると、すなわち磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２の電圧が所定値以上となると、電流は遮断される。そして、交流電源２０の電圧が反転すると、逆導通型半導体スイッチＳＷ３、ＳＷ４は既にオンであり、また磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２に充電電圧があるため、図３（ａ）に示すように、電流は逆導通型半導体スイッチＳＷ４−磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２−逆導通型半導体スイッチＳＷ３を通る経路を流れる。そして、磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２に蓄積した磁気エネルギーが放出（放電）される。
次に、磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２からの放電が終了すると、図３（ｂ）に示すように、電流は逆導通型半導体スイッチＳＷ１、ＳＷ３を通る経路と、逆導通型半導体スイッチＳＷ４、ＳＷ２を通る経路を流れ、並列導通状態となる。
次に、交流電源２０の電圧が反転する前の所定のタイミングで、制御部４０は逆導通型半導体スイッチＳＷ３、ＳＷ４をオフにする。これにより、図４（ａ）に示すように、電流は逆導通型半導体スイッチＳＷ１−磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２−逆導通型半導体スイッチＳＷ２を通る経路を流れる。その結果、磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２に磁気エネルギーが吸収される。本実施形態では、逆導通型半導体スイッチＳＷ３、ＳＷ４をオフにするタイミングで、逆導通型半導体スイッチＳＷ１、ＳＷ２をオンにしている。
磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２の充電が完了すると電流は遮断され、そして交流電源２０の電圧が反転すると、逆導通型半導体スイッチＳＷ１、ＳＷ２は既にオンであり、また磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２に充電電圧があるため、図４（ｂ）に示すように、電流は逆導通型半導体スイッチＳＷ２−磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２−逆導通型半導体スイッチＳＷ１を通る経路を流れる。そして、磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２に蓄積した磁気エネルギーが放電される。磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２からの放電が終了すると、図２（ａ）に示す並列導通状態となり、以後これを繰り返す。このように、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０は対向するペア２組の逆導通型半導体スイッチを交互に導通状態にすることにより、双方向に電流を流すことができる。
このような磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０のスイッチング制御により、次のような効果が得られる。図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、交流電源２０の周波数が５０Ｈｚの場合において、逆導通型半導体スイッチを制御するゲート位相角αが約３６ｄｅｇの場合における磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）組み込みシステム１０の動作結果を説明するための図である。図５（ａ）は、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０が組み込まれていない場合の電源電圧と電流の波形を示し、図５（ｂ）は、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０が組み込まれた場合の電源電圧、電流、負荷電圧の波形を示している。また、図５（ｃ）は磁気エネルギー蓄積コンデンサ電圧と逆導通型半導体スイッチＳＷ１を流れる電流の波形を示し、図５（ｄ）は逆導通型半導体スイッチＳＷ１がオンになるタイミングを示している。
図５（ａ）に示すように、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０が組み込まれていない場合、誘導性負荷５０の影響により、電流の位相が電源電圧の位相よりも遅れている。そのため交流電源２０の力率は１より小さい。一方、交流電源２０と誘導性負荷５０との間に磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０を直列に挿入した場合には、図５（ｂ）に示すように電流の位相を進ませることができるため、交流電源２０の力率を１に近づけることが可能である。
すなわち、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０は、逆導通型半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の対角線上のペア２組のゲート位相を調整することで、誘導性負荷５０の磁気エネルギーを磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２に蓄えて、電流の位相を進ませ、これにより交流電源２０の力率を１に近づけることが可能である。また、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０は、電流の位相を進ませるだけでなく、電流の位相を任意に制御することが可能であり、これにより任意に力率を調整することができる。更に、誘導性負荷５０の磁気エネルギーを磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２に貯え、蓄えた磁気エネルギーを誘導性負荷５０に回生することにより、負荷電圧を無段階に増減させることが可能である。
また、図５（ｃ）及び図５（ｄ）に示すように、逆導通型半導体スイッチＳＷ１がオンになるタイミングでは、磁気エネルギー蓄積コンデンサ電圧は０であり、逆導通型半導体スイッチＳＷ１を流れる電流は、並列導通時に逆導通型半導体スイッチＳＷ１のダイオードを流れる電流である。逆導通型半導体スイッチＳＷ１がオフになるタイミングにおいても磁気エネルギー蓄積コンデンサ電圧は０である。すなわち、０電圧、０電流でスイッチングされており、そのためスイッチングによる損失を無くすことができる。他の３つの逆導通型半導体スイッチＳＷ２〜ＳＷ４については、逆導通型半導体スイッチＳＷ１と同期してスイッチングしているため、同様の結果となる。
上記の通り、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、交流の周波数が５０Ｈｚの場合において、逆導通型半導体スイッチを制御するゲート位相角αが約３６ｄｅｇの場合における磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）組み込みシステム１０の動作結果を示しているが、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０の逆導通型半導体スイッチを制御するゲート位相角αは、０ｄｅｇから３６０ｄｅｇまで連続的に制御することができる。図６は、負荷として２ＫＷの誘導電動機を使用した製氷機を用いた場合、逆導通型半導体スイッチを制御するゲート位相角αを変化させたときの負荷電圧／定格電圧の概略値を示す。定格電圧とは、電源電圧の１００％に相当する電圧である。負荷電圧／定格電圧は、ゲート位相角αが０ｄｅｇからの増加に伴い増加し、ゲート位相角α＝約９０ｄｅｇで約１４０％の極大値となり、ゲート位相角αが更に増加すると減少し、ゲート位相角α＝１８０ｄｅｇでは約５０％にまで減少する。途中のゲート位相角α＝約１３５ｄｅｇで、負荷電圧／定格電圧＝１になっている。従って、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０のゲート位相角αを１３５ｄｅｇを基準に約±３０ｄｅｇ制御することにより、負荷電圧を電源電圧の約６０％から１３０％まで連続的に制御することができる。なお、ゲート位相角αを１８０ｄｅｇから３６０ｄｅｇまでの範囲で制御すると、１８０ｄｅｇから０ｄｅｇの向きに変化させたときの結果と同じになる。
磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２の充放電周期は、誘導性負荷５０とコンデンサ３２との共振周期の半周期分であり、スイッチング周期が誘導性負荷５０とコンデンサ３２とで決定される共振周期より長い時には、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０は常に０電圧０電流スイッチング、すなわちソフトスイッチングが可能である。
磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０に用いられる磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２は、従来の電圧型インバータと異なり、回路にあるインダクタンスの磁気エネルギーを蓄積するためだけのものである。そのため、コンデンサ容量を従来の電圧型インバータの電圧源コンデンサに比べて著しく小さくできる。コンデンサ容量は、負荷との共振周期がスイッチング周波数より短くなるように選定する。そのため、従来の電圧型インバータで問題となりやすい高調波ノイズは、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０におけるスイッチングでは殆ど発生しない。したがって、精密機器や計測機器等に対する高調波ノイズによる悪影響が、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０においては殆ど発生せず、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０を病院等においても安心して使用することができる。また、ソフトスイッチングであることから、電力損失が少なく、発熱も少ない。
また、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０をゲートパルス発生装置として用いた場合、各磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０に固有のＩＤナンバーを付与することができ、これを用いて外部からの制御信号を受信して各磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０を制御することができる。例えば、インターネット等の通信回線を利用して無線で制御信号を送り、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０を無線制御できる。
上述の磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）組み込みシステム１０では、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０は４個の逆導通型半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ４で形成されるブリッジ回路と、ブリッジ回路の直流端子間に接続された磁気エネルギー蓄積コンデンサ３２とからなる構成であったが、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０は次のような構成であってもよい。
図７及び図８は、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０の他の態様を示す図である。図７に示す磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０ａは、上述の４個の逆導通型半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ４と１個のコンデンサ３２とからなるフルブリッジ型の磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０に対して、２個の逆導通型半導体スイッチと２個のダイオード、及び２個のコンデンサで構成される縦型のハーフブリッジ型となっている。
より詳細には、この縦型ハーフブリッジ構造の磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０ａは、直列に接続された２個の逆導通型半導体スイッチＳＷ５、ＳＷ６と、この２個の逆導通型半導体スイッチＳＷ５、ＳＷ６と並列に設けられた、直列に接続された２個の磁気エネルギー蓄積コンデンサ３３、３４と、この２個の磁気エネルギー蓄積コンデンサ３３、３４それぞれと並列に接続された２個のダイオードＤ１、Ｄ２と、を含んでいる。
図８に示す磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０ｂは、横型のハーフブリッジ型である。横型のハーフブリッジ型磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０ｂは、２つの逆導通型半導体スイッチと２つのコンデンサで構成されている。
より詳細には、この横型のハーフブリッジ構造磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３０ｂは、第１の経路上に直列に設けられた逆導通型半導体スイッチＳＷ７及び磁気エネルギー蓄積コンデンサ３５と、第１の経路と並列な第２の経路上に直列に設けられた逆導通型半導体スイッチＳＷ８及び磁気エネルギー蓄積コンデンサ３６と、第１、第２の経路に対して並列に結線された配線と、を含んでいる。
続いて、本実施形態に係る電力供給システムについて説明する。
図９は、本実施形態に係る電力供給システム１００の概略構成を示すブロック構成図である。ここでは、発電装置Ｇとして、原子力発電や火力発電等の安定した高品質な電力供給が可能な複数の安定発電装置Ｇ１１〜Ｇ１２と不安定で低品質な電力供給となる自然エネルギー発電装置としての複数の風力発電機Ｇ２１〜Ｇ２３とが電力系統９０に接続されている例について説明する。
風力発電機Ｇ２１〜Ｇ２３と電力系統９０との経路には、各々発電量センサー６１〜６３が設置され、それぞれ電力制御部７０に接続されている。
発電量センサー６１〜６３は、風力発電機Ｇ２１〜Ｇ２３において発電された電力量（発電量）を検出するためのものである。発電量センサー６１〜６３としては、既存の電力計などを適用することができる。発電量センサー６１〜６３は、風力発電機Ｇ２１〜Ｇ２３による発電量を常時又は定期的に監視しており、時間と共に変動するその発電量の値を電力制御部７０に向けて常時又は定期的に送信している。
図９に示すように、本実施形態に係る電力供給システム１００は、発電量センサー（発電量検出手段）６１〜６３、電力制御部７０、負荷電力調整スイッチとしての磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３１〜３３、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３１〜３３を調整する制御部（制御手段）４１〜４３により大略構成されている。
磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３１〜３３は、所定の供給電力変動を許容する契約電力消費源としての充電器８１〜８３と、充電器８１〜８３のそれぞれを電力系統９０に接続するためのコネクタ２１〜２３との間に設置されている。磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３１〜３３は、それぞれ対応する制御部４１〜４３に接続されており、制御部４１〜４３からのゲート位相制御に基づき、充電器８１〜８３への負荷電力を調整する機能を有している。より具体的には、発電量センサー６１〜６３からの発電量信号に基づいて、電力制御部７０は、制御部４１〜４３に制御を行うべきゲート位相を伝達し、制御部４１〜４３は、電力制御部７０から伝達されたゲート位相信号に応じて契約電力消費源である充電器８１〜８３に接続された磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３１〜３３のゲート位相を制御することにより、コネクタ２１〜２３を介して電力系統９０に接続された充電器８１〜８３の負荷電力（消費電力）を調整するように構成されている。すなわち、風力発電機Ｇ２１〜Ｇ２３において発電された電力量（発電量）が小さい場合に、制御部４１〜４３によるゲート位相制御によって磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３１〜３３のゲート位相を調整し、充電器８１〜８３の負荷電力を減少させる。また、風力発電機Ｇ２１〜Ｇ２３において発電された電力量（発電量）が大きい場合に、制御部４１〜４３によるゲート位相制御によって磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３１〜３３のゲート位相を調整し、充電器８１〜８３の負荷電力を増大させる。
ここで、コネクタ２１〜２３は、例えばプラグ差込口であって、電力消費源としての電気製品を電気的に接続するためのインターフェースである。
この充電器８１〜８３は、電動力で走行可能な電気自動車Ｃ１〜Ｃ３の二次電池（バッテリー９に充電するためのものである。例えば、夜中のうちに電気自動車Ｃ１〜Ｃ３と充電器８１〜８３とを接続し、充電器８１〜８３をそれぞれコネクタ２１〜２３に接続することにより、翌朝までに電気自動車Ｃ１〜Ｃ３内の二次電池（バッテリー）がフル充電状態となる。
充電器８１〜８３による充電には、数時間の時間が必要となる。また、多少電源電圧に変動があっても、翌朝までに電気自動車Ｃ１〜Ｃ３にフル充電がされれば特に問題がない。従って、コネクタ２１〜２３に供給される電力は、高品質な電力である必要はなく、電力変動を含む低品質な供給電力であってもよい。充電器８１〜８３に供給される電力は、風力発電機Ｇ２１〜Ｇ２３において発電された電力量（発電量）に応じて変動する。しかしながら、充電器８１〜８３は、電力変動による影響を殆ど受けないので特に問題はない。従って、充電器８１〜８３は、いずれも所定の供給電力変動を許容する契約電力消費源である。また、各契約電力消費源（充電器８１〜８３など）への供給電力制御は、上述のように、各契約電力消費源（充電器８１〜８３など）に接続された磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３１〜３３のゲート位相制御に基づいて行われている。なお、上述の説明における誘導性負荷５０が、本実施形態においては、「契約電力消費源である充電器８１〜８３」に相当する。
一方、コネクタ２４には、別の電力消費源としてのコンピュータＰが接続される。このコンピュータＰは、ＣＰＵを含む多数の電子デバイスにより構成されており、電気信号による演算処理を行うものであるので、その稼働中に電源電圧の変動があると正常動作しない。従って、コンピュータＰ用にコネクタ２４に供給される電力は、高品質で変動の少ない供給電力である必要がある。
電力制御部７０は、内部に、発電量信号受信部７５〜７７、電力供給量算出手段７２、電力供給分配手段７３、及び契約電力消費源情報蓄積装置７４を備えている。
発電量信号受信部７５〜７７は、発電量センサー６１〜６３からの発電量を検出して、電力供給量算出手段７２に伝達する機能を有する。
電力供給量算出手段７２は、発電量信号受信部７５〜７７からの信号に基づき所定周期の分配タイミングで充電器８１〜８３などの契約電力消費源に分配すべき「変動の大きい電力供給量」を算出する。
図１０は、電力供給量算出手段７２の算出内容の概要を示す。上述の通り、発電量センサー６１〜６３は、風力発電機Ｇ２１〜Ｇ２３による発電量を常時又は定期的に監視しており、時間と共に変動するその発電量の値を電力制御部７０に向けて常時又は定期的に送信している。発電量に関する信号は、発電量信号受信部７５〜７７を介して電力供給量算出手段７２に伝達される。電力供給量算出手段７２は、所定の周期のタイミング（分配タイミング）で、風力発電機Ｇ２１〜Ｇ２３による発電量の合計（変動の大きい電力基礎供給量）Ｐｓを算出する。変動の大きい電力基礎供給量Ｐｓをそのまま、複数の契約電力消費源に分配すべき電力供給量Ｐｄにしてもよい。後述の通り、時々刻々と変動する電力供給量Ｐｄに応じて複数の契約電力消費源に分配されるので正確な「発電量追従消費」を実現できる。また、変動の大きい電力基礎供給量Ｐｓの変動部分に追従した電力消費を行えばよいので、変動の大きい電力基礎供給量Ｐｓに所定値を加えた値、又は変動の大きい電力基礎供給量Ｐｓから所定値を減じた値を電力供給量Ｐｄとしてもよい。
図１０では、時間ａ−ｂでは電力供給量Ｐｄ＝変動の大きい電力基礎供給量Ｐｓとして算出され、時間ｂ−ｃでは電力供給量Ｐｄ＝変動の大きい電力基礎供給量Ｐｓ＋１００として算出されている。
契約電力消費源情報蓄積装置７４は、電力供給量算出手段７２及び電力供給分配手段７３に接続されると共に、その内部に各契約電力消費源情報を蓄積している。
図１１は、契約電力消費源情報蓄積装置７４の蓄積情報を説明するための図である。電力系統から供給される電力の定格消費電力に対する変動を許容する電力消費源所有者は、対象とする電力消費源に関して、予め電力供給システム１００の管理者と、対象となる電力消費源、定格電力量、短期的許容範囲（電力供給システム１００が行う瞬間的な電力変動を定格電力量に対して何％まで許容するか）、契約期間（電力供給システム１００が行う瞬間的な電力変動を許容する時間帯、曜日等）、長期的許容範囲（契約期間を通じた累積電力変動を定格電力量に対して何％まで許容するか）等に関して、合意している。契約電力消費源情報蓄積装置７４には、全ての最新の契約電力消費源に関する関連情報が蓄積され、随時更新されている。表示例として示しているものは、ＩＤ番号００００３の契約電力消費源の定格電力量２０００Ｗの電気自動車用充電器であり、短期的許容範囲として±２０％、長期的許容範囲として±２．５％、契約期間として毎日２３：００−６：００とし、更に、長期的許容範囲の契約期間途中の逸脱を許容、すなわち契約期間の終了時である朝６：００の時点で長期的許容範囲が±２．５％以内であればよく、契約期間の途中（例えば、朝５：００）の時点では長期的許容範囲が±２．５％以内でなくてもよい、という特約に合意している。
電力供給分配手段７３は、制御部４１〜４３と接続されており、電力供給量算出手段７２によって算出された「変動の大きい電力供給量」を、所定周期の分配タイミングで充電器８１〜８３などの契約電力消費源に分配する機能を有する。電力供給分配手段７３と制御部４１〜４３との接続は、専用線経由、インターネット経由、無線経由のいずれであってもよい。
所定の周期のタイミング（分配タイミング）は、電力供給分配手段７３と制御部４１〜４３とを接続する手段（専用線経由、インターネット経由、無線経由、等）の特性によって、適宜決めればよい。例えば、２００ｍＳｅｃ毎から３０Ｓｅｃ毎であってよい。
なお、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３１〜３３とコネクタ２１〜２３の間には、それぞれ電力供給システム対象起動スイッチ５１〜５３が配置される。電力供給システム対象起動スイッチ５１〜５３は、それぞれ電力供給分配手段７３に接続される。電力供給システム対象起動スイッチ５１〜５３は、充電器８１〜８３などの各契約電力消費源の電源がオンになったことを検知すると自動的にオンになり、それを電力供給分配手段７３に伝達する。また、電力供給システム対象起動スイッチ５１〜５３は、契約電力消費源の電源がオンになった場合であっても、オフのままにしておくことができるように構成してもよい。この場合、契約電力消費源の管理者が電力供給システム対象起動スイッチ５１〜５３をオフにすれば、契約電力消費源を、この電力供給システム１００の制御対象にして定格電力からの変動を許容することなく、定格電力にて通常使用することができる。
電力供給システム対象起動スイッチ５１〜５３と電力供給分配手段７３との接続は、専用線経由、インターネット経由、無線経由のいずれであってもよい。
図１２は、電力供給分配手段７３の処理を説明するフローチャートである。
所定の周期の分配タイミング（例えば、３０Ｓｅｃ毎に）のトリガー信号により、以下のステップがその周期で繰り返し行われる。
その時契約期間の時間内であって、かつ電力供給システム対象起動スイッチ・オンの契約電力消費源を選択（Ｓ１）する。具体的には、サブルーチンで、契約期間の時間内のもの、かつ電力供給システム対象起動スイッチ・オンのものには、それぞれフラグＦ１が立てられており、メインルーチンにてフラグＦ１が立っているものを選択する。
選択された各契約電力消費源につき、それぞれの契約期間（時間）における、前回の分配タイミング（例えば、３０Ｓｅｃ前）までの電力の瞬間変動率Ｄの長時間累積値である長時間累積変動率ＤＬｃｕｍを算出（Ｓ２）する。具体的には、例えば、ＤＬｃｕｍ＝ＤＬｃｕｍ（ｎ−１）＋Ｄ（ｎ−１）ｘ（１／その契約電力消費源の選択されてからの時間（秒）ｘ５）で近似計算してもよい。ＤＬｃｕｍ（ｎ−１）は、前回の分配タイミング（例えば、３０Ｓｅｃ前）で求めた長時間累積変動率ＤＬｃｕｍ値であり、Ｄ（ｎ−１）は、前回の分配タイミング（例えば、３０Ｓｅｃ前）の瞬間変動率Ｄである。
長時間許容変動率ＤＬｌｉｍを算出（Ｓ３）する。具体的には、長時間許容変動率ＤＬｌｉｍ＝契約長時間許容変動率ＤＬａｇに設定してもよく、又は契約期間の終了時点で契約長時間許容変動率ＤＬａｇに設定すると共に、契約期間の途中では契約長時間許容変動率ＤＬａｇより大きな値に設定してもよい。
長時間累積変動率ＤＬｃｕｍが長時間許容変動率ＤＬｌｉｍを超えない契約電力消費源を選択（Ｓ４）し、制御対象の契約電力消費源に特定する。具体的には、サブルーチンで、長時間累積変動率ＤＬｃｕｍと長時間許容変動率ＤＬｌｉｍとを比較し、長時間累積変動率ＤＬｃｕｍ⊆長時間許容変動率ＤＬｌｉｍのものにフラグＦ２を立て、フラグＦ２の立っているものを選択する。
また、長時間累積変動率ＤＬｃｕｍが、前回の分配タイミング（例えば、３０Ｓｅｃ前）における瞬間変動率Ｄと反対方向の場合、該当する契約電力消費源は全て選択（Ｓ５）し、制御対象の契約電力消費源に特定する。具体的には、ＤＬｃｕｍ（ｎ−１）＞０かつＤ（ｎ−１）＜０、又はＤＬｃｕｍ（ｎ−１）＜０かつＤ（ｎ−１）＞０の場合、フラグＦ３を立てる。
制御対象となった全ての契約電力消費源の定格電力量の合計である、契約電力消費源定格消費量Ｐｃ０を算出（Ｓ６）する。
電力供給量算出手段７２の算出した電力供給量Ｐｄを読み出し、制御対象の契約電力消費源が消費すべき契約電力消費源消費量（目標）Ｐｃ＝電力供給量Ｐｄと設定（Ｓ７）する。
増減率（目標）Ｄｔａｒｇを、契約電力消費源消費量（目標）Ｐｃ／契約電力消費源定格消費量Ｐｃ０により算出（Ｓ８）する。
増減率（目標）Ｄｔａｒｇを制御対象となった全ての契約電力消費源に分配（Ｓ９）する。分配方法は、例えば、契約短時間許容変動率に応じて一律にして分配する（契約短時間許容変動率の大きい契約電力消費源は大目に傾斜配分するが、同じ契約短時間許容変動率の契約電力消費源は一律に配分）方式でもよく、又は定格消費電力が大きいほど大きく分配する方式でもよい。
瞬間変動率Ｄは、それぞれの短時間許容変動率Ｄａｇと比較され、短時間許容変動率Ｄａｇを超える場合は、その瞬間変動率Ｄを短時間許容変動率Ｄａｇに制限（Ｓ１０）する。
各契約電力消費源の瞬間変動率Ｄに基づき、電力供給分配手段７３より、対応する契約電力消費源の制御部（例えば、制御部４１〜４３）に信号を伝達（Ｓ１１）する。このとき、瞬間変動率Ｄが、前回の分配タイミング（例えば、３０Ｓｅｃ前）の瞬間変動率Ｄ（ｎ−１）からの変化が所定値を超えないようにしてもよい。対応する契約電力消費源の制御部（例えば、制御部４１〜４３）は、電力供給分配手段７３より伝達された瞬間変動率Ｄの信号に基づき、磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３１〜３３のゲート位相を調整し、充電器８１〜８３の負荷電力を制御する。この磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３１〜３３のゲート位相は、次回の分配タイミング（例えば、３０Ｓｅｃ後）の信号を受け取るまで維持され、次回の分配タイミングの瞬間変動率Ｄによって更新される。
なお、電力供給分配手段７３と特定の契約電力消費源の制御部（例えば、制御部４１）との通信が途絶えた場合、具体的には、特定の契約電力消費源の制御部（例えば、制御部４１）が電力供給分配手段７３からの瞬間変動率Ｄの信号を認識しない場合（例えば、連続して５回認識しない場合）、通信が途絶えたと判断して電力供給システム対象起動スイッチ５１をオフにするように構成してよい。この場合、この契約電力消費源（充電器８１）は、電力供給システム１００の制御対象から除外され、定格電力からの変動を許容することなく、定格電力にて通常使用される。
上述の制御では、ステップＳ１で選択された全契約電力消費源につき、各分配タイミング（例えば、３０Ｓｅｃ毎）に同時に瞬間変動率Ｄを算出し各契約電力消費源を制御しているが、ラウンドロビン方式により、例えば、各分配タイミング（例えば、３０Ｓｅｃ毎）を６分割し、ステップＳ１で選択された全契約電力消費源を６グループ分割し、６分割された各グループと６分割された各分配タイミング（５Ｓｅｃ毎）とを関連付け、６分割された各分配タイミング（５Ｓｅｃ毎）に６分割された各グループの契約電力消費源の瞬間変動率Ｄを算出し、それによって各契約電力消費源を制御するように構成してもよい。このように構成すれば、各契約電力消費源から見れば電力供給分配手段７３から伝達される信号は各分配タイミング（例えば、３０Ｓｅｃ毎）でありながら、電力供給分配手段７３から見れば、「発電量追従消費」のための制御は６分割された各分配タイミング（５Ｓｅｃ毎）にて行うことができる。
また、電力供給量算出手段７２は、増減率（目標）Ｄｔａｒｇを監視し、増減率（目標）Ｄｔａｒｇの累積値が所定値以下になった場合、「発電量追従消費」を行う目標となる電力供給量Ｐｄを増大させ、増減率（目標）Ｄｔａｒｇの累積値が所定値以上になった場合、電力供給量Ｐｄを減少させるように制御してよい。
続いて、本発明の実施形態に係る電力供給システム１００の動作について、図１３に基づき説明する。図１３は、説明のためのものであるが、電力供給システム１００の時々刻々の動作を監視する画面の基本構成としてもよい。
図１３は、あるタイミング（ｘｘ年ｘｘ月ｘｘ日の０３時３７分３０秒）における制御の状態を示す。変動の大きい発電源の電力定格供給量Ｐｄ０＝２５０ＭＷであるが、このタイミングにおける電力供給量Ｐｄは、電力供給量算出手段７２により、Ｐｄ＝２３５．０６ＭＷと算出されている。
図１３には、ステップＳ１により、そのタイミングで契約期間の時間内であって、かつ電力供給システム対象起動スイッチ・オンの契約電力消費源を選択し、制御対象となった契約電力消費源が示されている。この例では、契約電力消費源は、契約短時間許容変動率Ｄａｇが＋１０％から▲１０％まで、＋２０％から▲２０％まで、＋２０％から▲７０％までの３通りが設定されている。また、契約長時間許容変動率ＤＬａｇが、それぞれ、＋２．０％から▲２．０％まで、＋２．５％から▲２．５％まで、＋３．０％から▲３．０％までが設定されている。契約短時間許容変動率Ｄａｇ及び契約長時間許容変動率ＤＬａｇは、それぞれ３通りに限らず、１つでも、２通りでも、又は４通り以上でもよく、またそれぞれ独立して設定することもできる。なお、契約短時間許容変動率Ｄａｇ及び契約長時間許容変動率ＤＬａｇは、いずれもそれぞれの契約電力消費源の定格電力量に対する増減率である。
ステップＳ２により、長時間累積変動率ＤＬｃｕｍを算出し、Ｓ３により、長時間許容変動率ＤＬｌｉｍを算出する。長時間許容変動率ＤＬｌｉｍは、常に契約長時間許容変動率ＤＬａｇに設定するものと、契約期間の途中では契約長時間許容変動率ＤＬａｇより大きな値に設定するものとが混在してよい。
次に、ステップＳ４、又はＳ５により、制御対象になる契約電力消費源が選択される。このタイミングにおいて制御対象になる契約電力消費源が、○で表示されている。
ステップＳ６により、制御対象になった契約電力消費源の定格電力量の合計である、契約電力消費源定格消費量Ｐｃ０を算出する。このタイミングでは、契約電力消費源定格消費量Ｐｃ０＝２５２．１０ＭＷである。
次に、ステップＳ７により、制御対象の契約電力消費源が消費すべき契約電力消費源消費量（目標）Ｐｃ＝電力供給量Ｐｄと設定する。このタイミングでは、契約電力消費源消費量（目標）Ｐｃ＝２３５．０６ＭＷである。
更に、ステップＳ８により、制御対象の契約電力消費源全体の増減率（目標）Ｄｔａｒｇを算定し、このタイミングでは、増減率（目標）Ｄｔａｒｇ＝▲６．７６％（９３．２４％）である。
次に、ステップＳ９により、各契約電力消費源の瞬間変動率Ｄが分配される。この例では、契約短時間許容変動率の大きい契約電力消費源に大目に傾斜配分するが、同じ契約短時間許容変動率の契約電力消費源は一律に配分する方式を取っている。
ステップＳ１０により、分配された各契約電力消費源の瞬間変動率Ｄは、それぞれの短時間許容変動率Ｄａｇと比較され、短時間許容変動率Ｄａｇを超える場合は、その瞬間変動率Ｄを短時間許容変動率Ｄａｇに制限される。このタイミングでは、いずれの瞬間変動率Ｄも短時間許容変動率Ｄａｇを超えておらず、制限は行われない。
最後に、ステップＳ１１により、それぞれの瞬間変動率Ｄに基づき、対応する契約電力消費源の制御部（例えば、制御部４１〜４３）に信号が伝達され、この信号に基づき、各契約電力消費源（充電器８１〜８３など）に接続された磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）３１〜３３のゲート位相制御が行われ、各契約電力消費源（充電器８１〜８３など）への供給電力制御が行われる。
このように、不安定な風力発電機Ｇ２１〜Ｇ２３による発電量の変動分を、様々な態様の電力変動を許容する契約電力消費源を有機的に束ねる電力供給システム１００によって効果的に吸収することができる。このように、この電力供給システム１００によれば、高品質な発電を行う安定発電装置Ｇ１１、Ｇ１２、低品質な発電を行う風力発電機Ｇ２１〜Ｇ２３、高品質な供給電力を必要とする電力消費源（コンピュータＰ）、低品質な供給電力で充分な電力消費源（充電器８１〜８３）が同一の電力系統９０に接続されていても、低品質な発電を行う風力発電機Ｇ２１〜Ｇ２３の発電量変動の影響を、高品質な供給電力を要求するコンピュータＰに及ばないようにできる。
なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

Claims (14)

  1. 電力系統から供給される電力の定格消費電力に対する瞬間変動率を所定の契約短時間許容変動率まで許容する複数の契約電力消費源に供給すべき、変動の大きい電力供給量を、所定の周期の分配タイミングで算出する電力供給量算出手段と、
    前記電力供給量を前記複数の契約電力消費源に、前記所定の周期の分配タイミングにて分配する電力供給分配手段と、
    前記複数の契約電力消費源のそれぞれに接続可能に構成された複数の負荷電力調整スイッチと、
    前記複数の負荷電力調整スイッチにそれぞれ接続された制御手段であって、前記電力供給分配手段からの分配信号に基づいて、接続している前記負荷電力調整スイッチの出力電圧の大きさと電流の位相を変化させることにより、前記負荷電力調整スイッチが接続している前記契約電力消費源に供給される電力の大きさを変化させる制御手段と、を備えた電力供給システムであって、
    前記電力供給分配手段は、前記複数の負荷電力調整スイッチがそれぞれ接続された前記複数の契約電力消費源であって、前記複数の契約電力消費源のそれぞれの定格消費電力に対して前記電力系統から供給する電力の瞬間変動率の長時間累積値である長時間累積変動率が前記所定の契約短時間許容変動率より小さい所定の長時間許容変動率を超えない前記複数の契約電力消費源を選択して、前記電力供給量を、選択されたそれぞれの前記複数の契約電力消費源に前記瞬間変動率が前記所定の契約短時間許容変動率を超えないように分配する、電力供給システム。
  2. 前記複数の契約電力消費源は、それぞれ前記所定の契約短時間許容変動率として複数の短時間許容変動率のいずれかが設定され、前記電力供給分配手段は、前記複数の契約電力消費源のそれぞれの前記短時間変動率が、設定されたそれぞれの前記所定の契約短時間許容変動率を超えないように分配する、請求の範囲第１項に記載の電力供給システム。
  3. 前記複数の契約電力消費源は、それぞれ前記所定の長時間許容変動率として複数の長時間許容変動率のいずれかが設定され、前記電力供給分配手段は、前記複数の契約電力消費源のそれぞれの前記長時間累積変動率が、設定されたそれぞれの前記所定の長時間許容変動率を超えない前記複数の契約電力消費源を選択する、請求の範囲第１項又は第２項のいずれか１項に記載の電力供給システム。
  4. 前記所定の長時間許容変動率は、前記複数の契約電力消費源のそれぞれの契約期間の所定の契約長時間許容変動率である、請求の範囲項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電力供給システム。
  5. 前記所定の長時間許容変動率は、前記複数の契約電力消費源のそれぞれの契約期間の終了時点で所定の契約長時間許容変動率に設定されると共に、前記契約期間の途中では所定の契約長時間許容変動率より大きな値に設定される、請求の範囲項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電力供給システム。
  6. 前記電力供給量を、前記分配タイミングにて、選択された前記複数の契約電力消費源に、選択された前記複数の契約電力消費源のそれぞれの前記瞬間変動率をそれぞれの前記所定の契約短時間許容変動率に応じて一律にして分配する、請求の範囲項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の電力供給システム。
  7. 前記電力供給量を、前記分配タイミングにて、選択された前記複数の契約電力消費源に、選択された前記複数の契約電力消費源のそれぞれの前記瞬間変動率をそれぞれの定格消費電力が大きいほど大きく分配する、請求の範囲項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の電力供給システム。
  8. 前記電力供給量算出手段は、電力系統に接続された複数の発電電力変動の大きい発電装置の一部、又は全部に接続された複数の発電量検出手段からの出力に基づき前記電力供給量を算出する、請求の範囲項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の電力供給システム。
  9. 前記複数の契約電力消費源のそれぞれの前記瞬間変動率は、前記所定の周期における前記瞬間変動率の変化が所定値を超えないように調整される、請求の範囲項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の電力供給システム。
  10. 前記負荷電力調整スイッチは、４個の逆導通型半導体スイッチにて構成されるブリッジ回路と、該ブリッジ回路の直流端子間に接続され、電流遮断時の電流の持つ磁気エネルギーを蓄積する磁気エネルギー蓄積コンデンサを備えた磁気エネルギー回生スイッチであって、前記ブリッジ回路の交流端子が前記契約電力消費源と前記電力系統にそれぞれ接続され、前記制御手段が前記各逆導通型半導体スイッチのゲートに制御信号を与えて、対角線上に位置する一方ペアの前記逆導通型半導体スイッチをオン、他方のペアの前記逆導通型半導体スイッチをオフにする動作を同時に、かつ前記電力系統の交流電源の周波数に同期して前記逆導通型半導体スイッチをオンにするペアとオフにするペアとを交互に切り替えるスイッチング動作をするように制御するとともに、前記電力供給分配手段からの信号に応じて、前記各逆導通型半導体スイッチのゲート位相を変化させ、前記交流電源に対する前記スイッチング動作の位相を変化させることにより、前記負荷電力調整スイッチの入力電圧の大きさと電流の位相を変化させる磁気エネルギー回生スイッチである、請求の範囲項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の電力供給システム。
  11. 前記磁気エネルギー回生スイッチが、２個の前記逆導通型半導体スイッチ及び該逆導通型半導体スイッチに対向する２個のダイオードにより構成されたブリッジ回路と、前記２個のダイオードのそれぞれに対して並列に接続され都合２個の直列に接続された磁気エネルギー蓄積コンデンサと、を有する構成で置き換えた請求の範囲第１０項に記載の電力供給システム。
  12. 前記磁気エネルギー回生スイッチが、逆直列に接続された２個の前記逆導通型半導体スイッチと、直列に接続された２個の磁気エネルギー蓄積コンデンサと、を並列に接続し、該２個の逆導通型半導体スイッチの中点と該２個の磁気エネルギー蓄積コンデンサの中点同士に結線された配線と、を有する構成で置き換えた請求の範囲第１０項に記載の電力供給システム。
  13. 前記複数の発電電力変動の大きい発電装置は、太陽光発電装置、風力発電装置、又は地熱発電装置のうち少なくともいずれか１つである、請求の範囲項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の電力供給システム。
  14. 前記複数の契約電力消費源のそれぞれは、電気自動車、プラグインハイブリッド自動車、電動アシスト自転車等の電気車両の充電、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、エアコン、洗濯機、温水器用、揚水ポンプ、圧縮ポンプのうち少なくともいずれか１つである、請求の範囲項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の電力供給システム。
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