JP6089565B2 - 非常用電源システム - Google Patents

Description

本発明は、商用系統と連系する分散型電源を備えた非常用電源システムに関する。

図５は、従来の非常用電源システムの一例を示す構成ブロック図である。この非常用電源システムは、太陽電池５１、ＤＣ−ＤＣコンバータ５２−１，５２−２、双方向インバータ５３−１，５３−２、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４、負荷５４、商用系統５５、蓄電要素５６、充電器５７を備える。

まず、双方向インバータ５３−２の出力が蓄電池などの蓄電要素５６の出力よりも大きい場合には、スイッチＳＷ１をオフする。このとき、ＤＣ−ＤＣコンバータ５２−１は、太陽電池５１からの発電量に対して最大電力点追尾制御（ＭＰＰＴ）を行い、双方向インバータ５３−１は、太陽電池５１の発電電力（直流電力）を所定の交流電力に変換して負荷５４又は商用系統５５に供給する。ＤＣ−ＤＣコンバータ５２−２は、昇圧動作を行い、双方向インバータ５３−２は、一定電圧一定周波数（ＣＶＣＦ）制御を行う。

次に、蓄電要素５６の出力が双方向インバータ５３−２の出力よりも大きい場合には、スイッチＳＷ１，ＳＷ３がオンされる。このとき、太陽電池５１、蓄電要素５６を共通の直流電源にして、双方向インバータ５３−１，５３−２は、ＣＶＣＦ制御を行う。スイッチＳＷ２はオンさせず、メンテナンス等で双方向インバータ５３−１，５３−２を停止させたときのみ、オンさせる。従って、商用系統５５に異常、例えば停電が発生しても負荷５４に対しては、無瞬断で給電を継続できる。

図６は、従来の非常用電源システムの他の一例を示す構成ブロック図である。この非常用電源システムは、太陽電池５１、ＤＣ−ＤＣコンバータ５２、双方向インバータ５３、スイッチＳＷ２，ＳＷ４、負荷５４−１，５４−２、商用系統５５、蓄電要素５６、双方向コンバータ５８を備える。

系統連系モード（商用系統正常時）では、スイッチＳＷ２がオンされ、太陽電池５１の発電電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５２、双方向インバータ５３を介して商用系統５５に供給される。このとき、ＤＣ−ＤＣコンバータ５２は、ＭＰＰＴ制御を行う。また、蓄電要素５６の充電状態によっては、双方向コンバータ５８は、蓄電要素５６を充電する。

自立運転モード（商用系統異常時）では、双方向インバータ５３は、ＣＶＣＦ制御に切り替わり、ＤＣ−ＤＣコンバータ５２は、ＭＰＰＴ制御を行う。双方向コンバータ５８は、昇圧動作を行い、双方向インバータ５３を介して負荷５４−１に電力を供給する。

特開２００１−８３８３号公報 特開２００２−３５４６７７号公報

しかしながら、図６に示す非常用電源システムの商用系統異常時に、双方向インバータ５３のＣＶＣＦ運転においては、系統連系時の定格出力電力（Ｗ）がそのまま自立運転時の定格出力（Ｗ）とはならない。

例えば、商用系統が正常である場合、系統側に１０ｋＷの電力を供給する。一方、商用系統異常時におけるＣＶＣＦ運転においては、１０ｋＶＡ（負荷力率０．８）となり、出力可能な電力は８ｋＷとなり、無効電力は６ｋＶａｒとなる。この場合、双方向インバータ５３において、負荷の無効電力を考慮する必要があった。

本発明は、商用系統異常時に双方向インバータにおいて、負荷の無効電力を補償することができる非常用電源システムを提供することにある。

本発明の非常用電源システムは、直流電力を発生する１以上の電力発生装置と、前記１以上の電力発生装置と対応して設けられ、自立運転機能を有せず、前記１以上の電力発生装置で発生した直流電力を交流電力に変換し、交流電力の有効電力のみを負荷に供給する１以上のパワーコンディショナと、１以上の蓄電要素と、 前記蓄電要素の充電及び放電を行うとともに、商用系統が異常時に一定電圧一定周波数制御を行う第１双方向インバータと、無効電力補償機能を有する第２双方向インバータと、前記商用系統が異常時に、前記第１双方向インバータの対応可能な無効電力が前記負荷の無効電力より大きい場合に前記第１双方向インバータのみを動作させ、前記負荷の無効電力が前記第１双方向インバータの対応可能な無効電力より大きい場合に前記第１双方向インバータと前記第２双方向インバータとを動作させ、前記負荷の無効電力を前記第１双方向インバータの対応可能な無効電力と前記第２双方向インバータの対応可能な無効電力との和により補償する制御装置とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、商用系統が異常時に、第１双方向インバータの対応可能な無効電力が負荷の無効電力より大きい場合に第１双方向インバータのみを動作させることで、第１双方向インバータは、一定電圧一定周波数制御を行い、負荷の無効電力に対応する。負荷の無効電力が第１双方向インバータの対応可能な無効電力より大きい場合に第１双方向インバータと第２双方向インバータとを動作させることで、商用系統異常時に負荷の無効電力を、第１双方向インバータの対応可能な無効電力と第２双方向インバータの対応可能な無効電力との和によって補償することができる。

本発明の実施例１の非常用電源システムの構成ブロック図である。 本発明の実施例１の非常用電源システムの通常運転時の動作を説明するための図である。 本発明の実施例１の非常用電源システムの停電運転時の動作を説明するための図である。 本発明の実施例２の非常用電源システムの構成ブロック図である。 従来の非常用電源システムの一例を示す構成ブロック図である。 従来の非常用電源システムの他の一例を示す構成ブロック図である。

以下、本発明の実施の形態の非常用電源システムを図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１の非常用電源システムの構成ブロック図である。実施例１の非常用電源システムは、無効電力補償機能を付加した双方向インバータを追加することにより、負荷で発生した無効電力を補償し、双方向インバータに蓄電要素を接続することで、負荷状態によって蓄電要素から放電動作も行うことを特徴とする。

この非常用電源システムは、電力発生装置１−１，１−２、蓄電要素２−１，２−２、パワーコンディショナ（ＰＣＳ）３−１，３−２、双方向インバータ４−１，４−２、スイッチ５−１〜５−４，６，８、負荷７、商用系統９、監視装置１０を備える。

電力発生装置１−１，１−２は、太陽電池による太陽光発電又は風車による風力発電などの電力発生源であり、発生した直流電力をパワーコンディショナ（ＰＣＳ）３−１，３−２に出力する。

パワーコンディショナ３−１，３−２は、自立運転機能を有せず、電力発生装置１−１，１−２で発生した直流電力を交流電力に変換し、変換された交流電力をスイッチ５−１，５−２の一端に出力する。パワーコンディショナ３−１，３−２は、変換された交流電力の有効電力のみを負荷７に供給する。

双方向インバータ４−１，４−２は、蓄電要素２−１，２−２側にコンデンサを有し、無効電力補償機能を有している。

双方向インバータ４−１（第１双方向インバータ）には蓄電要素２−１とスイッチ５−３の一端とが接続されている。双方向インバータ４−１は、商用系統が異常時にＣＶＣＦ制御を行い、蓄電要素２−１に対する充放電を行う。

双方向インバータ４−２（第２双方向インバータ）には蓄電要素２−２とスイッチ５−４の一端とが接続されている。双方向インバータ４−２は、無効電力補償モードのみとして動作し、蓄電要素２−２に対する充放電を行う。

スイッチ５−１〜５−４の他端は全て共通接続され、共通接続点にはスイッチ６を介して負荷７が接続されるとともに、スイッチ８を介して商用系統９が接続されている。

監視装置１０は、制御装置に対応し、電力発生装置１−１，１−２、蓄電要素２−１，２−２、ＰＣＳ３−１，３−２、双方向インバータ４−１，４−２、スイッチ５−１〜５−４の各々を監視し且つ制御するもので、図示しない中央処理装置（ＣＰＵ）を有している。

監視装置１０は、商用系統９が異常時に、双方向インバータ４−１の対応可能な無効電力が負荷７の無効電力より大きい場合に双方向インバータ４−１のみを動作させ、負荷７の無効電力が双方向インバータ４−１の対応可能な無効電力より大きい場合に双方向インバータ４−１と双方向インバータ４−２とを動作させる。

また、双方向インバータ４−２は、負荷７の消費電力が電力発生装置１−１，１−２の電力より大きい場合には、監視装置１０からの指示に基づき無効電力を補償し且つ蓄電要素２−２の放電を行う。

また、双方向インバータ４−２は、電力発生装置の電力１−１，１−２が負荷７の消費電力より大きい場合には、監視装置１０からの指示に基づき無効電力を補償し且つ蓄電要素２−２の充電を行う。

パワーコンディショナ３−１，３−２は、蓄電要素２−１，２−２が満充電になった場合には、監視装置１０からの指示に基づき負荷７への電力制限を行なう。

また、監視装置１０は、商用系統９が遮断されたとき、双方向インバータ４−１をＣＶＣＦ制御させ、一定電圧が確立されたとき、双方向インバータ４−２とパワーコンディショナ３−１，３−２を駆動させる。

次に、実施例１に係る非常用電源システムの動作を図２及び図３を参照しながら詳細に説明する。

まず、図２を参照しながら非常用電源システムの通常運転時の動作を説明する。この場合、スイッチ５−１〜５−４，６，８がオンされる。このとき、パワーコンディショナ３−１，３−２は、電力発生装置１−１，１−２で発生した直流電力を交流電力に変換し、変換された交流電力をスイッチ５−１，５−２，６を介して負荷７に供給する。双方向インバータ４−１，４−２は、系統側の力率改善、蓄電要素２−１，２−２の充電又は放電動作を行う。

負荷７の消費電力が電力発生装置１−１，１−２で発生した電力より大きい場合には、監視装置１０は、負荷７からの消費電力情報と電力発生装置１−１，１−２からの電力情報とに基づき、双方向インバータ４−１，４−２に対して蓄電要素２−１，２−２の直流電力を取り出すよう指示する。

双方向インバータ４−１，４−２は、監視装置１０から送られてくる指示に応じて、蓄電要素２−１，２−２の直流電力を交流電力に変換して、変換された交流電力をスイッチ５−３，５−４，６を介して負荷７に供給する。

一方、電力発生装置１−１，１−２の電力が負荷７の消費電力よりも大きい場合には、監視装置１０は、負荷７からの消費電力情報と電力発生装置１−１，１−２からの電力情報とに基づき、双方向インバータ４−１，４−２に対して蓄電要素２−１，２−２を充電するよう指示する。

双方向インバータ４−１，４−２は、監視装置１０から送られてくる指示に応じて、電力発生装置１−１，１−２の電力をパワーコンディショナ３−１，３−２、スイッチ５−１〜５−４を介して蓄電要素２−１，２−２に出力し、蓄電要素２−１，２−２を充電する。

蓄電要素２−１，２−２が満充電状態になった場合には、監視装置１０は、蓄電要素２−１，２−２からの満充電状態を示す情報に基づき、パワーコンディショナ３−１，３−２に対して電力の制限を行なうよう指示する。パワーコンディショナ３−１，３−２は、監視装置１０から送られてくる指示に応じて、電力の制限を行なう。

次に、図３を参照しながら非常用電源システムの停電運転時の動作を説明する。商用系統９が停電した場合には、スイッチ８はオフし、スイッチ５−１〜５−４，６はオンである。

双方向インバータ４−１は、商用系統９の瞬断によりＣＶＣＦ制御（定電圧モード）に切り替わる。双方向インバータ４−１がＣＶＣＦ制御すると、パワーコンディショナ３−１，３−２および双方向インバータ４−２は、商用系統９が復帰したように認識するため、通常通り立ち上がる。即ち、パワーコンディショナ３−１，３−２は、電力発生装置１−１，１−２で発生した電力を負荷７に供給する。即ち、商用系統９が停電しても通常運転時と動作は変わらない。

（負荷に無効電力がある場合の動作）
次に、停電運転時で且つ負荷７に無効電力がある場合の動作を説明する。

パワーコンディショナ３−１，３−２は、有効電力のみを供給するのみであるが、双方向インバータ４−１は、停電運転時にＣＶＣＦ制御して、無効電力成分に対応する。

例えば、本装置で対応できる電力量は、双方向インバータ変換器容量１０ＫＶＡ，負荷力率０．８とすると、有効電力８ｋＷ、無効電力６ｋＶａｒとなり、６ｋＶａｒが負荷７に対応できる電力量となる。この電力量よりも負荷７の無効電力量が大きい場合には、この無効電力量を増加する必要がある。このため、双方向インバータ４−２は、双方向インバータ４−１のようにＣＶＣＦ制御（定電圧源）として動作させるのではなく、無効電力補償モードとして動作させている（アクティブフィルタ動作）。

双方向インバータ４−２の無効電力の補償量は、装置容量と同一となる。従って、非常用電源システム全体で無効電力に対応できる電力量は、双方向インバータ４−１で対応できる容量と双方向インバータ４−２で対応できる容量との総和になる。

なお、負荷７の無効電力状態に応じて、双方向インバータ４−２を増設することにより、簡単に無効電力補償容量を増加させることができる。

また、負荷７の消費電力が電力発生装置１−１，１−２で発生した電力より大きい場合には、監視装置１０は、負荷７からの消費電力情報と電力発生装置１−１，１−２からの電力情報とに基づき、双方向インバータ４−２に対して蓄電要素２−２の直流電力を取り出すよう指示する。

双方向インバータ４−２は、監視装置１０からの指示に応じて、無効電力を補償しつつ、蓄電要素２−２の放電を行う。蓄電要素２−２の放電が終了した場合には、双方向インバータ４−２は、無効電力のみ補償するように動作する。

一方、電力発生装置１−１，１−２で発生した電力が負荷７の消費電力より大きい場合には、監視装置１０は、負荷７からの消費電力情報と電力発生装置１−１，１−２からの電力情報とに基づき、双方向インバータ４−２に対して蓄電要素２−２に充電するよう指示する。

双方向インバータ４−２は、監視装置１０からの指示に応じて、無効電力を補償しつつ、蓄電要素２−２の充電を行う。蓄電要素２−２が満充電になつた場合には、監視装置１０は、蓄電要素２−２からの満充電情報に基づきパワーコンディショナ３−２に対して電力制限を行なう指示を出力する。パワーコンディショナ３−２は、監視装置１０からの指示に応じて、負荷７への電力制限を行なう。

（商用系統９を遮断したときの動作）
次に、商用系統９を遮断している状態から、本装置を運転させる場合の動作を説明する。

まず、商用系統９が遮断されると、商用系統９が遮断されたことを示す遮断情報が監視装置１０に送られる。監視装置１０は、入力された遮断情報に基づき双方向インバータ４−１をＣＶＣＦ制御させるための指示を双方向インバータ４−１に出力する。

双方向インバータ４−１は、監視装置１０からの指示に応じて、ＣＶＣＦ制御を行い、即ち、定電圧源として動作する。監視装置１０は、双方向インバータ４−１の定電圧源が確立されたことを確認すると、パワーコンディショナ３−１，３−２と、双方向インバータ４−２を駆動させる。これ以降の動作については、前述した商用系統９の停電運転時の動作と同一である。

このように実施例１の非常用電源システムによれば、商用系統９が異常時に、双方向インバータ４−１の対応可能な無効電力が負荷７の無効電力より大きい場合に双方向インバータ４−１のみを動作させることで、双方向インバータ４−１は、ＣＶＣＦ制御を行い、負荷７の無効電力を補償する。

負荷７の無効電力が双方向インバータ４−１の対応可能な無効電力より大きい場合に双方向インバータ４−１と双方向インバータ４−２とを動作させることで、商用系統異常時に負荷７の無効電力を、双方向インバータ４−１の対応可能な無効電力と双方向インバータ４−２の対応可能な無効電力との和によって補償することができる。

図４は、本発明の実施例２の非常用電源システムの構成ブロック図である。図４に示す実施例２の非常用電源システムは、図１に示す実施例１の非常用電源システムに対して、蓄電要素２−２を削除したことを特徴とする。

図４に示す実施例２では、蓄電要素２−２がないため、双方向インバータ４−２は、通常運転時、商用系統９の停電時、商用系統９の遮断時の各々において、負荷７で発生する無効電力の補償のみを行う。

実施例２では、蓄電要素２−２がないので、より簡単な非常用電源システムを構成することができる。

なお、本発明は、実施例１及び実施例２に係る非常用電源システムに限定されるものではない。実施例１及び実施例２に係る非常用電源システムでは、電力発生装置及びパワーコンディショナの各々を２つ設けたが、電力発生装置及びパワーコンディショナの各々は、少なくとも１つ設ければ良い。また、実施例１及び実施例２に係る非常用電源システムでは、双方向インバータを２つ設けたが、双方向インバータは、３つ以上設けても良い。

１−１，１−２ 電力発生装置
２−１，２−２ 蓄電要素
３−１，３−２ パワーコンディショナ（ＰＣＳ）
４−１，４−２ 双方向インバータ
５−１，５−２，５−３，５−４，６，８ スイッチ
７ 負荷
９ 商用系統
１０ 監視装置

Claims (5)

1. 直流電力を発生する１以上の電力発生装置と、
   前記１以上の電力発生装置と対応して設けられ、自立運転機能を有せず、前記１以上の電力発生装置で発生した直流電力を交流電力に変換し、交流電力の有効電力のみを負荷に供給する１以上のパワーコンディショナと、
   １以上の蓄電要素と、
   前記蓄電要素の充電及び放電を行うとともに、商用系統が異常時に一定電圧一定周波数制御を行う第１双方向インバータと、
   無効電力補償機能を有する第２双方向インバータと、
   前記商用系統が異常時に、前記第１双方向インバータの対応可能な無効電力が前記負荷の無効電力より大きい場合に前記第１双方向インバータのみを動作させ、前記負荷の無効電力が前記第１双方向インバータの対応可能な無効電力より大きい場合に前記第１双方向インバータと前記第２双方向インバータとを動作させ、前記負荷の無効電力を前記第１双方向インバータの対応可能な無効電力と前記第２双方向インバータの対応可能な無効電力との和により補償する制御装置と、
   を備えることを特徴とする非常用電源システム。
2. 前記第２双方向インバータは、前記負荷の消費電力が前記１以上の電力発生装置の電力より大きい場合には、前記制御装置からの指示に基づき無効電力を補償し且つ前記蓄電要素の放電を行うことを特徴とする請求項１記載の非常用電源システム。
3. 前記第２双方向インバータは、前記１以上の電力発生装置の電力が前記負荷の消費電力より大きい場合には、前記制御装置からの指示に基づき無効電力を補償し且つ前記蓄電要素の充電を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の非常用電源システム。
4. 前記１以上のパワーコンディショナは、前記１以上の蓄電要素が満充電になった場合には、前記制御装置からの指示に基づき前記負荷への電力制限を行なうことを特徴とする請求項３記載の非常用電源システム。
5. 前記制御装置は、前記商用系統が遮断されたとき、前記第１双方向インバータを一定電圧一定周波数制御させ、一定電圧が確立されたとき、前記第２双方向インバータと前記１以上のパワーコンディショナを駆動させることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の非常用電源システム。

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