JP2021005985A - 直流電力網 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の電力網を有する直流電力網において、ある電力網に対して、当該電力網において電力不足が発生していない場合であっても、他の電力網から任意のタイミングで電力を供給することができる直流電力網を提供する。【解決手段】本発明の直流電力網は、電力を供給する少なくとも１つの第１の電力網と、電力を供給される少なくとも１つの第２の電力網と、を有し、第１の電力網から第２の電力網に電力を供給する際、第１の電力網の基準電圧を上昇させる、または、第２の電力網の基準電圧を降下させる。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電力網を有する直流電力網において、ある電力網に対して、他の電力網から任意のタイミングで電力を供給することができる直流電力網に関するものである。

従来、複数の電力網を有する直流電力網（ＤＣマイクログリッド）ではすべての直流線路の電圧が一定となるように制御されている。
図７を用いて、従来技術の直流電力網の電力供給を説明する。
直流電力網１００’は、第１の電力網１０および第２の電力網２０を有する。第１の電力網１０と第２の電力網２０とは、直流線路で接続されている。
第１の電力網１０は、例えば大規模工場の電力網であり、直流電力網１００’の中で最も消費電力が大きい。第１の電力網１０は、商用電力系統に接続されており、電力会社から買電している。第１の電力網１０は、交流負荷ａと、太陽光発電システム（ＰＶａ）と、蓄電池ａと、を有する。交流負荷ａは、ＡＣ／ＤＣを介して直流線路に接続され、ＰＶａおよび蓄電池ａは、それぞれＤＣ／ＤＣを介して直流線路に接続されている。
第２の電力網２０は、例えば大規模宅地、商業施設の電力網である。第２の電力網２０は、第１の電力網１０と同様に、交流負荷ｂと、太陽光発電システム（ＰＶｂ）と、蓄電池ｂと、を有する。ただし、第２の電力網２０は、商用電力系統には接続されていないため、通常時は、ＰＶｂおよび蓄電池ｂを用いて、交流負荷ｂの全消費電力を賄い、第２の電力網２０に電力不足が発生したときのみ、第１の電力網１０から電力が供給される。
上述したように、直流電力網１００’では、すべての直流線路の電圧が一定となるように制御されているため、通常時は、第１の電力網１０の基準電圧Ｖａは、第２の電力網２０の基準電圧Ｖｂに等しい（Ｖａ＝Ｖｂ）。

（１）で示すように、通常時は、ＰＶｂを用いて、交流負荷ｂに電力を供給する。
交流負荷ｂの消費電力がＰＶｂの発電電力よりも大きい場合、（２）で示すように、蓄電池ｂを用いて、不足電力を交流負荷ｂに電力を供給する。
蓄電池ｂからの電力供給が停止すると（蓄電池ｂの充電量がゼロになると）、または、蓄電池ｂからの供給電力が不足電力よりも小さくなると、第２の電力網２０の基準電圧Ｖｂが降下することにより、第２の電力網２０の基準電圧Ｖｂは、第１の電力網１０の基準電圧Ｖａよりも低くなり（Ｖｂ＜Ｖａ）、（３）で示すように、第１の電力網１０から第２の電力網２０に電力が供給される。
従来技術では、交流負荷ｂと蓄電池ｂとの間の線路インピーダンスと、交流負荷ｂと第１の電力網１０との間の線路インピーダンスと、の関係から、基準電圧Ｖｂが一定に維持されるように、交流負荷ｂに最も近い蓄電池ｂから優先して電力が供給され、蓄電池ｂからの電力供給が不足して初めて、第１の電力網１０から電力が供給される。
それゆえ、仮に、第１の電力網１０において余剰電力が発生していても、この余剰電力を第１の電力網１０に供給することはできない。また、第１の電力網１０から電力を供給する際には、不足電力の最大値を供給することになるため、第１の電力網１０と第２の電力網２０とを連携する直流線路（電力ケーブル）は、許容電流が大きいものを用いる必要がある。

また、特許文献１には、複数のエネルギーコンポーネントに電力を分配するための電源制御装置において、ＤＣバスの調整の仕方を制御することが記載されているが、具体的なＤＣバス電圧の制御方法については記載されていない。

特表２００２−５１０９５７号公報

本発明は、上述した問題点を鑑み、複数の電力網を有する直流電力網において、ある電力網に対して、当該電力網において電力不足が発生していない場合であっても、他の電力網から任意のタイミングで電力を供給することができる直流電力網を提供することを目的とする。

本発明の直流電力網は、電力を供給する少なくとも１つの第１の電力網と、電力を供給される少なくとも１つの第２の電力網と、を有し、
前記第１の電力網から前記第２の電力網に電力を供給する際、前記第１の電力網の基準電圧を上昇させる、または、前記第２の電力網の基準電圧を降下させる。

本発明の直流電力網では、前記第１の電力網の基準電圧または前記第２の電力網の基準電圧は、前記第１の電力網と前記第２の電力網とを連携する直流線路の線路損失に基づいて決定されることが好ましい。

本発明の直流電力網では、前記第１の電力網と前記第２の電力網とを連携する直流線路は、ループ状を形成することが好ましい。

本発明の直流電力網では、前記第１の電力網の蓄電池および前記第２の電力網の蓄電池は、直流線路に直接接続されていることが好ましい。

本発明の直流電力網では、前記第１の電力網の基準電圧は、前記第１の電力網の蓄電池の充電抵抗による電圧上昇を考慮して決定されることが好ましい。

本発明の第１実施形態に係る直流電力網およびこの直流電力網を制御するためのシステムのブロック図である。 平日の第２の電力網における電力パターンを示すグラフである。 休日の第２の電力網における電力パターンを示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る直流電力網およびこの直流電力網を制御するためのシステムのブロック図である。 本発明の第３実施形態に係る直流電力網およびこの直流電力網を制御するためのシステムのブロック図である。 本発明の第４実施形態に係る直流電力網およびこの直流電力網を制御するためのシステムのブロック図である。 従来技術の直流電力網のブロック図である。

図１は、本発明の第１実施形態に係る直流電力網およびこの直流電力網を制御するためのシステムのブロック図である。
第１実施形態に係る直流電力網１００は、第１の電力網１０および第２の電力網２０を有する。第１の電力網１０と第２の電力網２０とは、直流線路で接続されている。第１の電力網１０および第２の電力網２０の構成要素は、図７に示した従来の直流電力網１００’の構成要素と同様であるので、その説明を省略する。

直流電力網１００を制御するためのシステムは、第１の電力網１０を制御するための第１のエネルギーマネジメントシステム（ＥＭＳａ）と、第２の電力網２０を制御するための第２のエネルギーマネジメントシステム（ＥＭＳｂ）と、第１および第２のエネルギーマネジメントシステム（ＥＭＳａ、ＥＭＳｂ）を制御するための統括エネルギーマネジメントシステム（統括ＥＭＳ）と、を有する。
各ＥＭＳは、交流負荷ａ、ｂの消費電力を測定し、蓄電池ａ、ｂの充放電を制御し、ＰＶａ、ＰＶｂの発電電力を監視し、第１の電力網１０と第２の電力網２０との間で相互に供給される電力を決定する。
各ＥＭＳは、パーソナルコンピュータ、サーバ、ワークステーション等のコンピュータであり、ハードウェア構成として、ＣＰＵ、メモリ、通信Ｉ／Ｆ、入出力装置等を有する。ＣＰＵは、メモリに格納されているプログラムを読み出して実行する。メモリには、プログラムおよびデータ等が格納される。通信Ｉ／Ｆを介して、ＥＭＳ同士が通信する。
ＥＭＳ間の通信および各ＥＭＳと各機器（ＤＣ／ＤＣ等）との間の通信は、有線だけでなく、無線（光マルチホップ、５Ｇ回線も含む）を使用することもできる。

第１の電力網１０から第２の電力網２０に電力を供給する場合を検討する。通常時は、第１の電力網１０の基準電圧Ｖａは、第２の電力網２０の基準電圧Ｖｂに等しい（Ｖａ＝Ｖｂ）。
統括ＥＭＳは、ＥＭＳａ、ＥＭＳｂからの情報に基づき、第１の電力網１０から第２の電力網２０に電力を供給するべきであると判断した場合、ＥＭＳａを介して、第１の電力網１０の蓄電池用ＤＣ／ＤＣコンバータ、ＰＶ用ＤＣ／ＤＣコンバータおよびＡＣ／ＤＣコンバータに対して、基準電圧Ｖａを通常のＶから＋αだけ上昇させる。αの値は、第１の電力網１０と第２の電力網２０とを連携する直流線路の線路損失（線路インピーダンス）に基づいて決定される。
結果として、第１の電力網１０の基準電圧Ｖａは、第２の電力網２０の基準電圧Ｖｂよりも高くなり、電圧差（Ｖａ−Ｖｂ）により、第１の電力網１０から第２の電力網２０に電力が供給される。
ＥＭＳａからの情報とは、例えば、第１の電力網１０において余剰電力が発生しているという情報、蓄電池ａのＳＯＣ（充電率）等であり、ＥＭＳｂからの情報とは、例えば、ＥＭＳｂからの交流負荷ｂの消費電力がＰＶｂの発電電力よりも大きいという情報、蓄電池ｂのＳＯＣ（充電率）、今後の需要予測等である。
このように、本発明では、第２の電力網２０において電力不足が既に発生している場合だけでなく、電力不足が今後発生しそうである場合や、第２の電力網２０において電力不足が発生していなくても、第１の電力網１０において余剰電力が発生している場合等、任意のタイミングで、第１の電力網１０から第２の電力網２０に電力を供給することができるので、直流線路の許容電流を超過することなく、直流電力網１００の電力を効率的に運用することができる。
なお、第１の電力網１０から第２の電力網２０に供給された電力は、交流負荷ｂによって消費されてもよいし、蓄電池ｂに充電されてもよい。

図２および図３は、本発明の第１実施形態に係る直流電力網の第２の電力網の電力パターンを示すグラフである。
図２は、平日の第２の電力網における電力パターンを示すグラフである。
幅太の棒グラフで示すように、第２の電力網２０における消費電力は、６時台から増加し、日中の時間帯に高く（約０．９ＭＷ）維持され、１７時台以降減少する。折れ線グラフで示すように、ＰＶ発電は、日の出とともに増加し、日中にピークを示し、日の入り後にゼロになる。幅細の棒グラフで示す蓄電池充放電のグラフは、プラスが充電を示し、マイナスが放電を示す。
９時台〜１６時台には、消費電力＜ＰＶ発電の関係が成り立つため、第２の電力網２０において必要な消費電力をすべてＰＶ発電により供給することができ、さらに、余剰電力（ＰＶ発電−消費電力）を蓄電池ｂに充電することができる。例えば、１２時台には、両矢印ｐで示す余剰電力を蓄電池ｂに充電することができる。
０時台〜７時台および１７時台〜２３時台には、ＰＶ発電＜消費電力の関係が成り立つため、不足する電力を蓄電池ｂの放電により供給する。
このように、平日の第２の電力網２０では、他の電力網からの電力供給を必要とせず、電力の自給自足が達成されている。

図３は、休日の第２の電力網における電力パターンを示すグラフであり、図３（ａ）は第１の電力網からの電力供給がない場合（従来）を示し、図３（ｂ）は第１の電力網からの電力供給がある場合（本発明）を示す。
幅太の棒グラフで示すように、第２の電力網２０における消費電力は、６時台から増加し、日中の時間帯に高く（１．２ＭＷ〜１．３ＭＷ）維持され、１７時台以降減少する。
休日の消費電力は、図２の平日の消費電力より高いため、図３（ａ）に示すように、第１の電力網１０からの電力供給がない場合、６時台には、蓄電池ｂの充電量を使い切り、かつ、ＰＶ発電が開始していないため、６時台後半から８時台までは電力不足が発生する。不足電力は、図３（ａ）において、斜線で示す棒グラフの合計１．４ＭＷである。このように、第２の電力網２０の消費電力は、平日より休日の方が大きいため、特に日の出前の時間帯には電力不足が発生する。
それゆえ、この不足電力を賄うために、図３（ｂ）に示すように、０時台〜７時台の間、第１の電力網１０の基準電圧Ｖａを通常のＶから＋αだけ上昇させることにより、第１の電力網１０から第２の電力網２０に合計１．４ＭＷ（２００ｋＷ×７時間）の電力が供給される。これにより、０時台〜５時台の間、図３（ａ）の場合と比較して、蓄電池ｂの放電量が減少し、その分を、６時台〜８時台に放電することにより、第２の電力網２０の消費電力を賄うことができる。
従来は、蓄電池ｂの充電量を使い切った後、第１の電力網１０から電力を供給していたため、図３（ａ）に示すように、７時台に、最大７００ｋＷｈの電力を供給する必要がある。一方、本発明では、図３（ｂ）に示すように、２００ｋＷｈの電力を供給するため、直流線路を流れる電力を１／３以下に減少することができ、直流線路の許容電流を減少することができる。

なお、図３（ｂ）では、第２の電力網２０は、第１の電力網１０から２００ｋＷの電力を７時間で供給されているが、１００ｋＷの電力を１４時間で供給される等、任意の設定が可能である。このように、不足電力をある一定時間で平準化（分割）して供給することにより、直流線路を流れる電力を減少でき、許容電流の低い直流線路が使用可能となる。また、第１の電力網１０からの供給電力を商用電力系統から買電して平準化を実施する場合、７００ｋＷから２００ｋＷに減少するので、購入電力のピークを抑えることができる。

図４は、本発明の第２実施形態に係る直流電力網およびこの直流電力網を制御するためのシステムのブロック図である。
第２実施形態に係る直流電力網２００は、第３の電力網３０を有し、第１の電力網１０と第２の電力網２０とを連携する直流線路がループ状を形成する点以外、第１実施形態に係る直流電力網１００と同様である。
第３の電力網３０の構成要素は、第１の電力網１０および第２の電力網２０の構成要素と同様である。
第１の電力網１０から第２の電力網２０に電力を供給する場合を検討する。ここで、第３の電力網３０は、他の電力網に電力を供給することも、他の電力網から電力を供給されることもなく、第１の電力網１０から第２の電力網２０に供給される電力を通過させるだけである。
統括ＥＭＳは、ＥＭＳａ、ＥＭＳｂからの情報に基づき、第１の電力網１０から第２の電力網２０に電力を供給するべきであると判断した場合、ＥＭＳａを介して、第１の電力網１０の基準電圧Ｖａを通常のＶから＋αだけ上昇させる。
結果として、第１の電力網１０の基準電圧Ｖａは、第２の電力網２０の基準電圧Ｖｂよりも高くなり、電圧差（Ｖａ−Ｖｂ）により、第１の電力網１０から第２の電力網２０に電力が供給される。電力は、第１の電力網１０から第２の電力網２０に直接（図中右側の直流線路Ｘを介して）供給されるとともに、第１の電力網１０から第３の電力網３０を通過して第２の電力網２０に（図中左側の直流線路ＹおよびＺを介して）供給される。
第１の電力網１０から第２の電力網２０に直接供給される電力量、および、第１の電力網１０から第３の電力網３０を通過して第２の電力網２０に供給される電力量は、直流線路Ｘの線路損失と、直流線路Ｙ、Ｚの線路損失と、の比率によって決定される。
この実施形態では、第１の電力網１０と第２の電力網２０とを連携する直流線路がループ状を形成することにより、開閉器を使用せずにバックアップ系統を構成することができる。

図５は、本発明の第３実施形態に係る直流電力網およびこの直流電力網を制御するためのシステムのブロック図である。
第３実施形態に係る直流電力網３００は、２つの第１の電力網１０、１０ｃを有し、２つの第１の電力網１０、１０ｃから第２の電力網２０に電力が供給される。
また、直流電力網３００を制御するためのシステムは、ＥＭＳａおよびＥＭＳｂに加えて、第１の電力網１０ｃを制御するための第１のエネルギーマネジメントシステム（ＥＭＳｃ）を有し、統括ＥＭＳは、ＥＭＳａ、ＥＭＳｂおよびＥＭＳｃを制御する。
統括ＥＭＳは、ＥＭＳａ、ＥＭＳｂ、ＥＭＳｃからの情報に基づき、第１の電力網１０、１０ｃから第２の電力網２０に電力を供給するべきであると判断した場合、ＥＭＳａを介して、第１の電力網１０の基準電圧Ｖａを通常のＶから＋αだけ上昇させ、ＥＭＳｃを介して、第１の電力網１０ｃの基準電圧Ｖｃを通常のＶから＋βだけ上昇させる。α、βの値は、第１の電力網１０、１０ｃから第２の電力網２０に供給される電力量、第１の電力網１０と第２の電力網２０とを連携する直流線路Ｘの線路損失および第１の電力網１０ｃと第２の電力網２０とを連携する直流線路Ｚの線路損失に基づいて決定される。
結果として、第１の電力網１０、１０ｃの基準電圧Ｖａ、Ｖｃは、第２の電力網２０の基準電圧Ｖｂよりも高くなり、それぞれの電圧差（Ｖａ−Ｖｂ）、（Ｖｃ−Ｖｂ）により、第１の電力網１０、１０ｃから第２の電力網２０に電力が供給される。

図６は、本発明の第４実施形態に係る直流電力網およびこの直流電力網を制御するためのシステムのブロック図である。
第４実施形態に係る直流電力網４００は、蓄電池用ＤＣ／ＤＣコンバータが設けられていない、すなわち、蓄電池ａおよび蓄電池ｂが直流線路に直接接続されている点以外、第１実施形態に係る直流電力網１００と同様である。
統括ＥＭＳは、ＥＭＳａ、ＥＭＳｂからの情報に基づき、第１の電力網１０から第２の電力網２０に電力を供給するべきであると判断した場合、ＥＭＳａを介して、第１の電力網１０の基準電圧Ｖａを通常のＶから＋αだけ上昇させる。αの値は、蓄電池ａの内部インピーダンスＺｂａｔｔと許容充電電流値Ｉとに基づいて、α≦Ｚｂａｔｔ×Ｉと決定される。これにより、第１の電力網１０から第２の電力網２０に供給されるべき電力が、第１の電力網１０の蓄電池ａに充填されることを防止することができる（図中、蓄電池ａに向かう矢印に×が示されている）。
ただし、第１の電力網１０と第２の電力網２０とを連携する直流線路の線路損失および内部インピーダンスによる電圧降下から上述した電圧値（Ｖａ＝Ｖ＋α＝Ｖ＋Ｚｂａｔｔ×Ｉ））では、第１の電力網１０から第２の電力網２０に電力を供給することができない場合、αの値を電力供給可能な値に設定するとともに、図示しないＥＶに充電を指示し、蓄電池ａへの過充電を防止することもできる。
この実施形態では、蓄電池ａ、ｂが、ＤＣ／ＤＣコンバータを介さず、直流線路に直接接続されているため、変換損失および部品コストを削減することができる。
また、基準電圧Ｖａは、蓄電池ａの充電抵抗による電圧上昇を考慮して決定されることにより、蓄電池ａへの余分な充電を防止することができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さまざまな変更が可能である。
上述した実施形態では、第１の電力網１０の基準電圧Ｖａを上昇させることにより、第１の電力網１０から第２の電力網２０に電力を供給したが、第２の電力網２０の基準電圧Ｖｂを降下させることにより、第１の電力網１０から第２の電力網２０に電力を供給することもできる。
上述した実施形態では、第１の電力網１０から第２の電力網２０に電力を供給したが、休日には第１の電力網１０から第２の電力網２０に電力を供給し、一方、平日には第２の電力網２０から第１の電力網１０に電力を供給するといったように、電力を電力網間で相互に供給することもできる。この場合、第１の電力網１０は、平日の消費電力が高く、休日の消費電力は低く、一方、第２の電力網２０は、平日の消費電力が低く、休日の消費電力が高いことが好ましい。すなわち、第１の電力網の消費電力カーブと第２の電力網の消費電力カーブとは、平日と休日で異なり、相補的であることが好ましい。
また、基準電圧Ｖａは、直流接続した急速充電器およびＥＶを充放電することで微調整を行うこともできる。

１０、１０ｃ 第１の電力網
２０ 第２の電力網
３０ 第３の電力網
１００、１００’、２００、３００、４００ 直流電力網

Claims (5)

1. 電力を供給する少なくとも１つの第１の電力網と、電力を供給される少なくとも１つの第２の電力網と、を有する直流電力網であって、
   前記第１の電力網から前記第２の電力網に電力を供給する際、前記第１の電力網の基準電圧を上昇させる、または、前記第２の電力網の基準電圧を降下させる、
   ことを特徴とする直流電力網。
2. 前記第１の電力網の基準電圧または前記第２の電力網の基準電圧は、前記第１の電力網と前記第２の電力網とを連携する直流線路の線路損失に基づいて決定される、
   請求項１に記載の直流電力網。
3. 前記第１の電力網と前記第２の電力網とを連携する直流線路は、ループ状を形成する、
   請求項１または２に記載の直流電力網。
4. 前記第１の電力網の蓄電池および前記第２の電力網の蓄電池は、直流線路に直接接続されている、
   請求項１から３のいずれかに記載の直流電力網。
5. 前記第１の電力網の基準電圧は、前記第１の電力網の蓄電池の充電抵抗による電圧上昇を考慮して決定される、
   請求項４に記載の直流電力網。
   

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