WO2004073136A1 - 電力システム - Google Patents

Abstract

複数の電力需給家が、電力需給制御機器により相互接続されて構成された、従来の電力系統に拠らない電力システムを提供する。発電機器101、蓄電機器102および複数の負荷103と、電力需給制御機器104とを備えた電力需給家の複数が電力需給線路Wを介して相互接続されてなり、前記電力需給制御機器は、当該電力需給制御機器が備えられた電力需給家11において電力不足が生じるか否か、または電力余剰が生じるか否かを判断し、当該電力需給家11において電力不足が生じる場合には、発電機器および/または蓄電機器を備えた他の電力需給家12～15から電力を受け取り、当該電力需給家11において電力余剰が生じる場合には、他の電力需給家11～15に電力を渡すことを特徴とする。

Description

明糸田書 電力システム 技術分野

本発明は、 複数の電力需給家が、 電力需給制御機器によ り 相互接 続されてなる電力システムに関する。

発明の背景

従来の電力系統は、 図 8 に示すよ う に、 大規模発電所 9 1 を頂点 と し需要家 9 2 を裾野とする 「放射状系統」が基本である。図 8 では、 複数の送電系統を確保するために、 一部で「ループ系統」が導入され ている。 この種の電力系統は、 広域 （たとえば数万 k m ² ) であ り 、 かつ大規模 （数十 G W ) に、 単一システム と して構成されている。 一方、 近年、 ソ ラ一発電、 燃料電池による系統連系型分散発電シ ステム （たとえば、 特許文献 1 参照） が注目 されている。 系統連系 型分散発電システムは、 通常、 従来の放射状の電力系統の末端領域 あるいは末端に近い局所領域に構築される もので、 当該電力系統と の連系を前提と している。

【特許文献 1 】 特開平 6 — 3 2 7 1 4 6 号

発明の開示

図 8 に示した従来の電力系統構造では、 電力の移送が大量に長距 離に行われるため損失が多く 、 また太陽エネルギー · 風力エネルギ —等の再生可能なエネルギー由来の発電ではその再生可能エネルギ —が遍在しているため、 これら のエネルギーを利用 した大規模発電 所を構築しに く い。

本発明の 目的は、 複数の電力需給家が、 電力需給制御機器によ り 相互接続されて構成された、 従来の電力系統に拠らない電力システ ムを提供する こ とである。

本発明の電力 システムは、 1 つまたは複数の発電機器、 1 つまた は複数の蓄電機器および 1 つまたは複数の電力消費機器の う ちか ら 選ばれた少なく と も 1 つの機器と、 電力需給制御機器とを備えた電 力需給家の複数が相互接続されてなる電力システムにおいて、 前記 電力需給制御機器は、 当該電力需給制御機器が備え られた前記電力 需給家において電力不足が生じるか否か、 または電力余剰が生じる か否かを判断し、 当該電力需給家にお.いて電力不足が生じる場合に は、 前記発電機器および/または前記蓄電機器を備えた他の電力需 給家か ら電力を受け取り 、 当該電力需給家において電力余剰が生じ る場合には、 他の電力需給家に電力を渡すこ とを特徴とする。

また、 本発明の電力システムは、 1 つまたは複数の発電機器、 1 つまたは複数の蓄電機器および 1 つまたは複数の電力消费機器の う ちか ら選ばれた少なく とも 1 つの機器と、 電力需給制御機器とを備 えた電力需給家の複数が相互接続されてなる電力システムであっ て 前記複数の電力需給家は、 複数の群に区分され、 各群に属する電力 需給制御機器は、 当該群において電力不足が生じるか否か、 または 電力余剰が生じるか否かを判断し、 当該群において電力不足が生じ る場合には、 前記発電機器および/または前記蓄電機器を備えた電

-つ . 力需給家が属する他の群か ら電力を受け取 り 、 当該群において電力 余剰が生じる場合には、 他の群に電力を渡すこ とを特徴とする。 本発明では、 従来の電力系統を持たずに、 基本的には各電力需給 家は自立している電力 システムである。 すなわち、 各電力需給家は、 電力不足 · 電力余剰が生じたときは、 他の電力需給家との間で電力 の需給を行い、またこれによ り システム全体での 自立を 目的とする。 本発明では、 複数の前記電力需給家は、 分枝状電力需給線路、 数 珠つなぎ状電力需給線路、 放射状電力需給線路、 網状電力需給線路 またはこれら を組み合わせた電力需給線路に接続する こ とができる また、 本発明では、 前記電力需給制御機器は、 他の電力需給家の 前記電力需給制御機器との間で電力の需給情報のや り取り をデータ 通信ネ ッ ト ワーク を介レて行う こ とができる。

本発明では、 D C送配電の利点を十分に活用するために、 複数の 前記電力需給家を、 相互に D C接続する こ とができる。

図面の簡単な説明

図 1 は本発明の電力システムの一実施形態を示す説明図、 図 2 は 本発明の電力システムにおいて、電力需給家の電力需給制御機器が、 他の電力需給家と A C電力の需給を行う ときの説明図、 図 3 は本発 明の電力システムにおいて、 電力需給家の電力需給制御機器が、 他 の電力需給家と D C電力の需給を行う ときの説明図、 図 4 は本発明 の電力 システムにおいて、 電力需給家の屋内配線を介して D C電力 を負荷に給電する場合の説明図、 図 5 は本発明の電力システムにお ける、 電力需給家が階層化されている様子を示す説明図、 図 6 は、

( A ) は電力需給家が分枝状に接続されている場合の説明図、 （ B ) は電力需給家が星状に接続されている場合の説明図、 （ C )は電力需 給家が網状に接続されている場合の説明図、 図 7 は複数の他の電力 需要家と異なる電力需給線路を介して接続された電力需給家の例を 示す図、 図 8 は従来の電力系統を示す説明図である。

発明を実施するための最良の形態

図 1 の電力システム 1 は、 複数の電力需給家 1 1 ~ 1 5 の電力需 給家のみを示す。 各電力需給家 1 1 〜 1 5 は、 電力需給線路 Wを介 して相互に接続されている。

電力需給家 1 1 は、 発電機器 1 0 1 と、 蓄電機器 1 0 2 と、 複数 の負荷 （電気機器） 1 0 3 と、 電力需給制御機器 1 0 4 を備えてい る。 なお、 複数の電気機器 1 0 3 は、 A l , A 2 , · · · ， A nで示 してある。 また、 図 1 では、 他の電力需給家 1 2， 1 3 , 1 4 およ ぴ図示しない他の電力需給家も電力需給家 1 1 と同様、 発電機器と 、 蓄電機器と、 複数の負荷 （電気機器） と、 電力需給制御機器とを 備えてお り 、各機器は枝状の屋内配線に接続されている もの とする。 本発明では、 各電力需給家間は疎結合している。 すなわち、 各電 力需給家は、 基本的には自立型であ り 、 電力不足が生じたときに他 の電力需給家か ら電力の供給を受け、 電力余剰が生じたときに他の 電力需給家に電力を供給する こ とができる。

電力需給家 1 1 は、 たとえば、 一般家屋、 集合住宅、 小 · 中 · 大 規模工場、 低層 · 中層 · 高層 ビルディ ング等である。 さ ら に これら 一般家屋、 集合住宅等が複数集合した群も本発明の電力需給家 1 1 と して扱う こ とができる。

典型的には、 発電機器 1 0 1 は、 ソ ラ一発電器、 燃料電池等の D C電源である。 発電機器 1 0 1 と して風力発電が用い られる こ と も ある。 風力発電機器は通常 A C電源であるが、 その出力を A C / D C変換して D C電源と して使用する こ とができる。 また、 蓄電機器 1 0 2 は、 D C電源である。 負荷 1 0 3 は、 たとえば、 電灯、 空調 機、 冷蔵庫、 電磁調理器、 炊飯器等の D C機器または A C機器であ る。

電力需給制御機器 1 0 4 は、 電力需給家 1 1 において電力余剰が 生じたとき、 たとえば負荷 1 0 3 の電力使用量が低減しかつ蓄電機 器 1 0 2 が満充電あるいは満充電に近く なつ たときに、 発電機器 1 0 1 が生成する電力を、 電力需給線路 Wに接続された他の電力需給 家、 あるいは電力需給家 1 5 に供給する こ とができる。 また、 電力 需給制御機器 1 0 4 は、 電力需給家 1 1 において電力不足が生じた とき、 たとえば負荷 1 0 3 の電力使用量が急増したときに、 電力需 給線路 Wに接続された電力余剰が生じている他の電力需給家 1 2 , 1 3 , 1 4 の電力需給制御機器、 あるいは電力需給家 1 5 の後述す る電力需給制御機器 1 5 3 を介して電力の供給を受け、 負荷 1 0 3 を駆動し、 あるいは蓄電機器 1 0 2 に蓄電する こ とができる。

電力需給家 1 5 は、 発電機器 1 5 1 と、 蓄電機器 1 5 2 と、 電力 需給制御機器 1 5 3 とを備えている。 なお、 電力需給家は、 発電機 器と、 蓄電機器の何れかのみを備える こ とができる。 発電機器 1 5 1 は、 典型的には火力、 水力、 風力等の中小規模設備であ り 、 蓄電 機器 1 5 2 は、 典型的には二次電池である。 電力需給家 1 5 は、 電 力需給制御機器 1 5 3 を介して、前述したよ う に電力需給家 1 1 (あ るいは、 他の電力需給家 1 2 〜 1 4等） に電力を供給できる。 また 逆に、 電力需給家 1 5 は、 電力需給家 1 1 (ある いは、 他の電力需 給家 1 2 ~ 1 4等） か ら電力の供給を受ける こ と もできる。

電力需給家 1 5 が電力需給家 1 1 等に供給する電力は、 発電機器 1 5 1 によ り 生成した電力または蓄電機器 1 5 2 に蓄電された電力 であ り 、 電力需給家 1 5 が電力需給家 1 1 等か ら供給される電力は 蓄電機器 1 5 2 に蓄電される。

図 1 に示した電力 システムでは、 電力需給制御機器 1 0 4 は、 他 の電力需給家 1 2 〜 1 5 と電力の需給を行う場合には、 当該電力需 給制御機器 1 0 4が、 当該他の電力需給家の電力需給制御機器,と情 報交換を して需給条件等を決定する。

図 1 に示した電力システムでは、 電力需給家間の電力の需給を A Cで行う こ ともできる し、 D Cで行う こ ともできるが、 何れに して も、 局所的な電力システム と して構築する こ と もできる し、 これら の電力システムが組み合わされた大きな電力システム と して構築す る こ と もできる。

図 1 に示した電力システムでは、 図示はしないが、 負荷のみか ら なる電力需給家が電力需給線路 Wに接続される こ と もある。 また、 図 1 の電力 システムでは、 多数かつ多様な電力需給家を相互接続す る こ とで、 需給電力の平準化が行われる。 電力需給家 1 1 の蓄電機器 1 0 2 を大容量と した場合に、 コス ト 高となる場合には、蓄電機器 1 0 2 と して小容量のものを使用 し（あ るいは、 蓄電機器 1 0 2 を備えずに）、 他の電力需給家か ら供給され る電力 によ り 負荷をまかなう よう にする こ とができる。 この場合、 電力システム 1 には、 時間帯消費電力パターンが異なる電力需給家 (たとえば、 住宅と事業所） が混在している こ とが好ま しい。 また、 電力需給家 1 5 と して、 発電形態が異なる もの （たとえば、 ソ ラ一 発電機器と風力発電機器） が混在している こ とが好ま しい。

図 2 は、 電力需給家の電力需給制御機器が、 他の電力需給家と A C電力の需給を行う電力システムを示す説明図である。

図 2 の電力需給家 1 1 a , 1 2 a， 1 3 a , 1 4 a および 1 5 a は、 図 1 の電力需給家 1 1 ， 1 2 , 1 3 , 1 4 および 1 5 に対応し ている。図 2 における電力需給家 1 1 a の電力需給制御機器 5 1 は、 制御装置 5 1 1 と、双方向 A C Z D C変換器 5 1 2 とを備えている。 各電力需給家の制御装置同士は通信ライ ン C L によ り データ通信 が可能に構成されてお り 、 電力需給に際して需給情報の交換を行う こ とができる。

また、 電力需給家 1 5 a の電力需給制御機器 6 1'は、 制御装置 6 1 1 と、 双方向 A C Z A C または D C / A C変換器 6 1 2 とを備え ている。 電力需給家間で A C電力の需給が.行われる ときには、 両者 の間で電圧 · 電流 · 周波数 · 位相の整合を と らなければな らない。 この整合は、 電力需給制御機器 5 1 , 6 1 が行う 。 なお、 図 2 には 図示していないが、 電力需給制御機器 5 1 , 6 1 には限流器、 積算 電力計等をさ ら に備える こ とができる。

図 3 は、 電力需給家の電力需給制御機器が、 他の電力需給家と D C電力の需給を行う電力システムを示す説明図である。

図 3 の電力需給家 l i b , 1 2 b , 1 3 b , 1 4 b および 1 5 b は、 図 1 の電力需給家 1 1 ， 1 2 ， 1 3 , 1 4および 1 5 に対応し ている。 図 3 における電力需給家 1 5 b の電力需給制御機器 7 1 は 、 制御装置 7 1 1 と、 双方向 D C Z D C変換器 7 1 2 とを備えてい る。

各電力需給家の制御装置同士は通信ライ ン C L によ り データ通信 が可能に構成されてお り 、 電力需給に際して需給情報の交換を行う こ とができる。

また、 電力需給家 1 1 b の電力需給制御機器 8 1 は、 制御装置 8 1 1 と、 双方向 D C Z D C または D C Z A C変換器 8 1 2 とを備え ている。 電力需給家間で D Cで電力の需給が行われる ときには、 電 圧 · 電流の調整を行う。 なお、 図 3 には図示していないが、 電力需 給制御機器 7 1 ， 8 1 には限流器、 積算電力計等をさ らに備える こ とができる。

図 4 は、 電力需給家の屋内配線を介して D C電力を負荷に配電す る場合の説明図である。

図 4 の電力需給家 1 1 c では、 図 1 に示した電力需給家 1 1 にお ける発電機器と蓄電機器と複数の負荷とが具体的に示されている。 なお、 図 4 の電力需給制御機器 7 1 は、 図 3 の電力需給制御機器 7 1 と同一の ものである。 電力需給家 1 1 c において、 発電機器はソ ラー発電器 7 0 1 であ り 、 蓄電機器はバッテ リ ー 7 0 2 であ り 、 複数の負荷は D C負荷 7 0 3 1 と A C負荷 7 0 3 2 である。

こ こでは、 双方向 D Cノ D C変換器 7 1 2 は、 ノ ッテリ ー 7 0 2 、 ソ ラ一発電器 7 0 1 、 D C負荷 7 0 3 1 との間で電力の需給を行う と と もに、 D C Z A C変換器 7 0 6 を介して A C負荷 7 0 3 2 との 間で電力の需給を行う 。

ゾ ラ一発電器 7 0 1 が生成する電力は、 たとえば双方向 D C / D C変換器 7 1 2 を介してバッテリ ー 7 0 2 、 D C負荷 7 0 3 1 に供給 され、 あるいは D C A C変換器 7 0 6 を介して A C負荷 7 0 3 2 には供給される。

電力需給制御機器 7 1 は、 バッテリ ー 7 0 2 の充電を制御する機 能、 屋内配線 L側への安定出力を補償する機能を備えている。

D C負荷 7 0 3 1 には、 電力需給制御機器 7 1 か らの電力が屋内 配線し、 D C コ ンセン ト 7 0 5 1 を介して供給され、 A C負荷 7 0 3 2 には、 電力需給制御機器 7 1 か らの電力が屋内配線 L、 D C / A C変換器 7 0 6 、 A C コ ンセン ト 7 0 5 2 を介して供給される。 なお、 図 4 では、 D C コ ンセン ト， A C コ ンセン ト はそれぞれ 1 つ しか示していないが、 それぞれ複数設け、 これら に D C負荷、 A C 負荷を接続する こ とができる。

と こ ろで、 図 1 の電力システムでは、 電力需給家の適宜数を集め た群を、 一つの電力需給家と して扱う こ とができる。 図 5 に示すよ う に、 電力需給家群 G i l , G 1 2 , · · · は、 この ときの群 （た と えば、 数十〜 1 万戸程度） を示している。

図 5 では、 電力需給家群 G l 1 , G 1 2 , · · · 同士は、 電力需給 制御機器 S 1 を介して相互に接続されている。 また、 電力需給家群 G 1 1 , G 1 2 , · · ' の上位階層は、 G 2 1 ， G 2 2 , · · ' で示 され、 更に上位階層は G 3 1 , G 3 2 ， G 3 3 , · · ' で示されてい る。 こ こでは、 図示はされていないが、 G 3 1 , G 3 2 , G 3 3 ， · · · よ り更に上位の階層が形成される。

たとえば、 電力需給家群 G 1 1 , G 1 2 , · · · は「町」単位、 G 2 1 , G 2 2 , · · ' は「市」単位、 G 3 1 ， G 3 2 , G 3 3 , · · ' は、 「県」単位とされる。

図 5 では、 電力需給家群 G 1 1 , G 1 2 ， · · · は、 電力需給制御 機器 S 1 によ り 他の電力需給家と相互接続されているが、 各上位階 層と下位階層 とは、 電力需給制御機器 S 2 , S 3 , S 4 · · · を介 して相互に階層接続されている。

上記の実施形態では、 各電力需給家が、 図 6 ( A ) に示すよ う な 分枝状に接続'されている場合を説明した。 各電力需給家は、 図 6 ( B ) に示すよ う に星状に接続してもよい し、 図 6 ( C ) に示すよ う に網状に接続してもよい。 さ ら に、 これら を複合した態様で接続 してもよい。

図 7 は、 複数の他の電力需要家と異なる電力需給線路を介して接 続された電力需給家の例を示す図である。 図 7 では、 双方向 D C Z D C変換器 7 1 2 は、 たとえば図 6 ( C ) に示したよ うな電力需給 家同士の接続態様において、 電力需給線路 W 1 ， W 2 , W 3 間で電 力の移動をして他の電力需給家同士の電力需給を仲介する こ とがで さる。

産業上の利用の可能性

本発明によれば、 複数の電力需給家が、 電力需給制御機器によ り 相互接続されて構成された、 従来の電力系統に拠らない電力システ ムを提供する こ とができる。

Claims

請求の範囲

1 つまたは複数の発電機器、 1 つまたは複数の蓄電機器および 1 つまたは複数の電力消費機器のう ちか ら選ばれた少な く と も 1 つの機器と、 電力需給制御機器とを備えた電力需給家の複数 が相互接続されてなる電力システムにおいて、

前記電力を受け取 り 、

当該電力需給家において電力余剰が生じる場合には、 他の電力 需給家に電力を渡す、

こ とを特徴とする電力システム。

1 つまたは複数の発電機器、 1 つまたは複数の蓄電機器および 1 つまたは複数の電力消費機器のう ちか ら選ばれた少な く と も 1 つの機器と、 電力需給制御機器とを備えた電力需給家の複数 が相互接続されてなる電力システムにおいて、

前記複数の電力需給家は、 複数の群に区分され、 .

各群に属する電力需給制御機器は、

当該群において電力不足が生じるか否か、 または電力余剰が 生じるか否かを判断し、

当該群において電力不足が生じる場合には、 前記発電機器およ び/または前記蓄電機器を備えた電力需給家が属する他の群か ら電力を受け取り 、

当該群において電力余剰が生じる場合には、 他の群に電力を渡 す、

こ とを特徴とする電力システム。 3 複数の前記電力需給家は、 分枝状電力需給線路、 数珠つなぎ状 電力需給線路、 放射状電力需給線路、 網状電力需給線路または これら を組み合わせた電力需給線路に接続されている こ とを特 徴とする請求項 1 または 2 に記載の電力システム。

4 前記電力需給制御機器は、 他の電力需給家の前記電力需給制御 機器との間で電力の需給情報のや り 取り をデータ通信ネッ ト ヮ —ク を介して行う こ とを特徴とする請求項 1 か ら 3 の何れかに 記載の電力システム。

5 複数の前記電力需給家は、 相互に D C接続されている こ とを特 徴とする請求項 1 か ら 4 の何れかに記載の電力システム。