JP2007274842A - 災害時対応分散電源システム、及びパワーコンディショナの運転方法 - Google Patents

災害時対応分散電源システム、及びパワーコンディショナの運転方法 Download PDF

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Abstract

【課題】分散電源システムにおいて、通常時には分散電源を系統電源に連系させて単相交流電力を出力できるとともに、系統電源の停電時には分散電源からの電力によって三相交流電力を供給できるようにする。
【解決手段】単相交流電力を出力する3台のパワーコンディショナ21〜23を用いる。系統電源に連系させるときにはパワーコンディショナ21〜23を並列接続して系統電源に接続する。系統電源の停電時には、系統電源からパワーコンディショナを切り離し、パワーコンディショナ21〜23の交流出力間に所定の位相差(例えば120°)が生ずるようにしてパワーコンディショナ21〜23を運転させ、三相交流電力が得られるようにする。
【選択図】図1

Description

本発明は、太陽電池や燃料電池などの分散電源を系統電源に連系させるとともに、系統電源の停電時には分散電源を自立運転させて三相動力負荷に電力を供給できる災害時対応分散電源システムと、そのような災害時対応分散電源システムにおけるパワーコンディショナの運転方法と、に関する。
近年、電力消費家(需要家)の場所において、分散電源装置として太陽電池、燃料電池、風力発電装置などを配備し、これらの分散電源からの電力と電気事業者の系統電源(商用電源)からの電力とを組み合わせてその電力消費家における電力消費を賄うようにした分散型の電源システムが注目を集めている。
電力消費家の宅内において、分散電源からの電力を系統電源からの交流電力に重畳して負荷に配電するためには、分散電源を系統電源に連系させる必要ある。分散電源からの電力は、多くの場合、直流電力であり、また、交流電力であるとしても周波数や電圧が系統電源とは適合していないから、分散電源からの所定の交流電力に変換し、その周波数や電圧を系統電源からの電力に適合させるパワーコンディショナ(PCS)が用いられる。パワーコンディショナからの交流電力の出力線は、一般に、電力消費家の宅内に設けられる分電盤において、系統電源側からの配電線に接続され、これによって、電力消費家の宅内にある負荷に対して、分散電源からの交流電力と系統電源からの交流電力とが一緒に供給されるようになる。パワーコンディショナは、系統電源に連系した交流電力を出力するものであるから、その出力部分には、インバータが設けられている。この場合、負荷に供給される交流電力の周波数、位相および電圧は系統電源側から与えられるとともに、分散電源からの電力を最大限に負荷に供給できるようにするため、インバータとしては、電流制御方式のものが使用される。
ところで、電力事業者の電力系統は、送電効率などの観点から、一般に、三相発電機からの三相交流電力を送電線や変電所を介して消費地まで送電し、単相交流電力が必要な場合には、その単相交流電力の消費場所の直前の位置で三相電力を単相電力に変換するように構成されている。そのため、電力単価は単相電力の方が三相電力よりも高く、分散電源を系統電源に連系させて使用する場合には、三相電力側で使用するよりも単相電力側で使用するほうが、コストメリットが大きくなる。したがって、現在、分散電源を系統電源に連系させるパワーコンディショナとしては、単相交流電力を出力するものが一般的である。
ところで、太陽電池や燃料電池などの分散電源は、独立して電力を供給できるものであるから、地震等の災害が発生して系統電源における停電が持続することが想定される場合における非常用電源として有望なものである。しかしながら、現状では、分散電源を系統電源に連系させるシステムは単相交流電力を出力するものが一般的なので、系統電源の停電時に三相交流電力を負荷に供給する目的には使用することができない。その一方で、系統電源が停電したときに、三相交流電力で駆動される負荷、すなわち三相負荷を駆動したいという要求がある。例えば、トラック、バス、乗用車などの道路運送車両に対してガソリンや軽油などの燃料を供給する燃料供給ステーション(ガソリンスタンド)では、燃料タンクから車両に燃料を移送するために、三相モータで駆動されるポンプを用いている。地震等の災害時にあっても各種の緊急車両等に給油を行う必要があるから、燃料供給ステーションにおいては、通常時には分散電源からの電力を単相交流電力で駆動される負荷すなわち単相負荷に供給しているとしても、系統電源の停電時には、分散電源からの電力で三相交流電力を発生させて三相負荷に供給できることが望まれる。
なお、特許第3289418号明細書(特許文献1)には、三相交流電力の非常用自家発電設備が備えられている場合などに、系統電源の停電時に三相交流電力を単相交流電力に変換して負荷に供給する構成が開示されている。しかしながらこの構成は、非常時においても三相交流電力が入手可能であってそれから単相交流電力を発生させるものであり、太陽電池や燃料電池といった典型的には直流電力を出力する分散電源から三相交流電力を発生する場合には使用できない。
また、特許第3553180号明細書(特許文献2)には、直流電源から三相交流電力を生じる構成が開示されている。しかしながら、この構成は、単相交流電力を発生させるものではないので、通常時には系統電源と連系させて単相交流電力を発生させ、系統電源の停電時には三相交流電力を発生させる、という使い方をすることができない。
特許第3289418号明細書 特許第3553180号明細書
上述したように、電力消費家の場所において太陽電池や燃料電池などの分散電源を配備し、これらの分散電源を系統電源に連系させてその電力需要家の宅内の負荷に対して単相交流電力を供給する電源システムが実用化されているが、系統連系の停電時に分散電源を稼動させてその電源システムから三相交流電力を得るようにすることはできない。
そこで本発明の目的は、通常時には分散電源を系統電源に連系させて単相交流電力を出力できるとともに、系統電源の停電時には分散電源からの電力によって三相交流電力を供給できるようにした災害時対応分散電源システムと、そのような災害時対応分散電源システムにおけるパワーコンディショナの運転方法とを提供することにある。
本発明の災害時対応分散電源システムは、系統電源に連系する災害時対応分散電源システムにおいて、分散電源と、分散電源を系統電源に連系させることができ、単相交流電力を出力する複数台のパワーコンディショナと、を備え、系統電源に連系させるときは複数台のパワーコンディショナを相互に並列接続して系統電源に接続し、系統電源の停電時には、系統電源から複数台のパワーコンディショナを切り離し、複数台のパワーコンディショナの交流出力間に所定の位相差(具体的には120°)が生ずるようにして複数台のパワーコンディショナを運転させ、三相交流電力が得られるようにしたことを特徴とする。
本発明の災害時対応分散電源システムは、典型的には、3台のパワーコンディショナを有し、三相交流電力を得るときには3台のパワーコンディショナの出力をY結線またはΔ結線で接続するものである。あるいは、2台のパワーコンディショナを有し、三相交流電力を得るときには2台のパワーコンディショナの出力をV結線で接続するものである。
本発明の災害時対応分散電源システムにおいて、各パワーコンディショナの定格出力は、0.1kW以上100kW以下であり、好ましくは0.3kW以上50kW以下であり、さらに好ましくは、1kW以上10kW以下である。パワーコンディショナの出力が小さすぎる場合には、パワーコンディショナの出力電圧を十分に高くすることが難しくなり、系統電源への連系に支障をきたすおそれがある。一方、パワーコンディショナの定格出力が大きすぎる場合には、パワーコンディショナの特にインバータ回路を構成するパワー半導体素子として特別の素子が必要となり、汎用性が損なわれる。
本発明の災害時対応分散電源システムでは、三相交流電力を出力するために、前記複数台のパワーコンディショナのうちの1台がマスタとなって、三相交流電力の各相の基準となる信号を生成し他のパワーコンディショナに送信するようにすることが好ましい。
本発明の災害時対応分散電源システムは、例えば、燃料を供給する燃料供給ステーション(ガソリンスタンドなど)に設けられる。その場合、三相交流電力は、燃料を移送する燃料ポンプを駆動する三相モータに供給される。
本発明のパワーコンディショナの運転方法は、分散電源を系統電源に連系させる複数台のパワーコンディショナの運転方法において、系統電源に連系させるときには複数台のパワーコンディショナの出力を並列に接続して系統電源に接続し、複数台のパワーコンディショナを電流制御モードで動作させ、系統電源に連系させない場合には、複数台のパワーコンディショナの出力を系統電源から切り離し、複数台のパワーコンディショナの交流出力間に所定の位相差(具体的には120°)が生じて交流出力が三相交流の各相に対応するように、複数台のパワーコンディショナを電圧制御モードで動作させることを特徴とする。
分散電源用のパワーコンディショナとしては、住宅や小規模店舗などを対象とした単相出力のパワーコンディショナが広く普及している。これらを産業用途に転用することは普及の点から見て有効であり、出力される単相交流電力は照明や空調用などに活用することが可能である。しかしながら、従来は、単相用のパワーコンディショナを用いている限り、停電時には重要性の高い動力用の三相交流電力が得られない、という問題点があった。本発明は、複数台の単相パワーコンディショナを組み合わせ、停電時などの非常時には結線変えを行うとともにこれらのパワーコンディショナを位相120°ずつずらして運転することにより、三相交流電力を得ることができる、という格別の効果を有する。
特に、ガソリンスタンドは、災害時などの停電時にも給油機能に支障がないことが求められるが、給油用ポンプは三相交流電力で動作しているため、本発明にかかる災害時対応分散電源システムの設置が有効である。
次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。本発明の災害時対応分散電源システムは、それぞれ単相交流電力を出力する2台以上のパワーコンディショナを使用し(以下で説明する実施形態では3台のパワーコンディショナを使用)、系統電源が正常に機能しているときは、これら2台以上のパワーコンディショナの出力を並列にして系統電源に接続し、系統電源に連系させて負荷に単相交流電力を供給し、系統電源が停電した場合には、これらのパワーコンディショナを系統電源から切り離すとともに、パワーコンディショナの出力間の結線を付け替え、さらに、これらの各パワーコンディショナが出力する単相交流電力の位相間に所定の位相差(具体的には120°)が生ずるようにして、モータなどの三相負荷に対して三相交流電力を供給できるようにしたものである。
図1は、本発明の実施の一形態の災害時対応分散電源システムの構成を示している。図1において、(A)は系統電源が正常に稼動している場合の結線を示し、(B)は系統電源が停電している際の結線を示している。実際には、通常時には(A)の結線とし、系統電源が停電となった場合には、後述するように、手動で(B)の結線に切り替えることになる。
分散電源として太陽電池などの直流電源11〜13と、直流電源11〜13からそれぞれ直流電力が供給されて単相交流電力を出力するパワーコンディショナ(PCS)21〜23が設けられている。また、系統電源からは、単相交流電力と三相交流電力とが供給されている。三相交流電力は、三相分電盤41を介して、モータなどの三相負荷51に供給されるようになっている。通常時には、図1の(A)に示すように、三相分電盤41と三相負荷51とが直結されている。単相交流電力は、単相分電盤42を介して照明などの単相負荷52に供給されるようになっている。単相分電盤42と単相負荷52との接続は、この例では、固定されている。また、これらの分電盤41,42とは別に、系統電源の停電時に用いられる停電時専用三相分電盤44が設けられている。系統電源が通常に動作しているときには、停電時専用三相分電盤44には、電源も負荷も接続されない。
通常時には、図1の(A)に示すように、パワーコンディショナ21〜23の出力は相互に並列に接続され、遮断器43を介して単相分電盤42に供給されるようになっている。遮断器43は、系統電源が停電したときなどに、パワーコンディショナ21〜23を系統電源から解列するために設けられている。したがって、このときは、直流電源11〜13からの直流電力がパワーコンディショナ21〜23によって単相交流電力に変換され、負荷52に対して、分電盤42を介して、系統電源からの単相交流電力とパワーコンディショナ21〜23からの単相交流電力が供給されることになる。上述したように、パワーコンディショナ21〜23内のインバータ回路は、出力電流値が目標値となるように制御される電流制御モードで駆動される。
なお、パワーコンディショナ21〜23が系統電源に接続しかつ運転している状態で系統電源が停電すると、パワーコンディショナ21〜23から出力される交流電力が系統電源側の配電網に流れ出し、停電中であるので本来は充電されていないはずの系統電源側の配電線や配電網が分散電源によって充電されることとなり、停電復旧等の作業における感電事故や、系統復帰時に系統電源側での位相と配電線側での位相が一致しないことによる故障の発生のおそれが生じ、また、故障発生位置の探索を難しくする。そこでパワーコンディショナは、系統電源側からの電力供給が途絶えたことを検出した場合に、速やかにパワーコンディショナの動作を停止させ、さらに必要に応じてパワーコンディショナ自体を配電線から機械的なスイッチあるいは遮断器によって切り離せるように構成されている。ここでは、並列接続されたパワーコンディショナ21〜23のうち、パワーコンディショナ21をマスタのパワーコンディショナとして、このパワーコンディショナ21において系統電源の停電を検出するとともに、系統電源の停電時には、残りのパワーコンディショナ22,23に対して停電検出を通知し、各パワーコンディショナ21〜23の動作を停止させるとともに、遮断器43を遮断状態とするようにしている。あるいは、各パワーコンディショナ21〜23が相互に通信しあって、系統電源の停電を検出するようにしてもよい。
次に、系統電源が停電しているときに、三相負荷51に対して三相交流電力を供給するための構成について、図1の(B)を用いて説明する。
系統電源が停電のときは、手動で、各パワーコンディショナ21〜23を遮断器43から切り離し、また、三相負荷51を三相分電盤41から取り外す。そして、三相負荷51への3本の配電線と、3台のパワーコンディショナ21〜23の単相交流出力とを、停電時専用三相分電盤44を介して相互に接続する。そして、交流出力における位相が相互に120°ずつずれるように3台のパワーコンディショナ21〜23を運転させる。その結果、三相負荷51に三相交流電力が供給されるようになり、三相負荷51を使用することができるようになる。三相負荷51が燃料供給ステーションにおける燃料ポンプを駆動する三相モータである場合には、系統電源の停電時であっても、緊急車両等に給油を行えることになる。
次に、このように3台のパワーコンディショナ21〜23を結線して三相交流電力を生成できるようにするための、パワーコンディショナの構成について説明する。パワーコンディショナは、単体としては単相交流電力を出力するものであるから、これらの3台を組み合わせて三相交流電力を得るためには、パワーコンディショナが出力する交流電力における位相を相互に120°ずつずらす必要がある。そこで本実施形態では、マスタのパワーコンディショナ21において、基準となる周波数と位相差とを示す同期信号(周期トリガ)を生成し、これらの同期信号をスレーブのパワーコンディショナ22,23に伝送し、スレーブのパワーコンディショナ22.23では同期信号に同期して交流電力を発生させて出力することにより、三相交流電力が正常に生成されるようにしている。さらにマスタとスレーブのパワーコンディショナの間では、後述するように、待機信号や運転停止信号がやり取りされるようになっている。
図2は、このようなパワーコンディショナの構成を示すブロック図である。マスタとスレーブの違いはあるものの、パワーコンディショナ21〜23の構成は同様のものである。すなわちパワーコンディショナ21〜23は、直流電源11〜13からの直流電力を受けてこれを適当な電圧まで昇圧するDC昇圧部31と、昇圧された直流電力を単相交流電力に変換するインバータ回路32と、インバータ回路32内のパワー半導体素子のゲートを駆動するためのゲートドライブ信号を発生するゲートドライブ信号発生部33と、インバータ回路32の出力電流/出力電圧を計測するセンサ34と、センサ34での波形観測値に基づいてインバータ回路32内のパワー半導体素子のゲートを制御するための目標値を算出する目標値演算部35と、インバータ回路32の出力電圧波形における目標波形を発生する目標電圧波形発生部36と、を備えている。
系統電源に連系しているときは、インバータ回路32は電流制御モードで動作することになっているので、目標値演算部35は、センサ34で観測された電流波形に基づいて目標値を定め、その目標値をゲートドライブ信号発生部33に送り、その結果、電流波形に基づいてインバータ回路32が駆動制御されることになる。
これに対し、系統電源の停電時であって図1の(B)に示すように結線されている場合には、インバータ回路32を電圧制御モードで動作させる。このとき、外部から基準の周波数や位相が供給されるわけではないので、マスタのパワーコンディショナ21の目標電圧波形発生部36は、所定周波数(50Hzまたは60Hz)で所定電圧の正弦波が出力されるように出力電圧波形の目標波形を定めて、マスタのパワーコンディショナ21の目標値演算部25に供給するとともに、スレーブのパワーコンディショナ22,23に対しては、周波数と位相との基準になる周期トリガ(同期信号)を送信する。周期トリガにおいては、スレーブのパワーコンディショナ22,23ごとに所定の位相差が設けられている。スレーブのパワーコンディショナ22,23では、目標電圧波形発生部36がこの周期トリガを受信し、周期トリガに基づいて自パワーコンディショナにおける出力電圧波形の目標波形を定め、目標値演算部35に出力する。マスタおよびスレーブのいずれのパワーコンディショナ21〜23においても、目標値演算部35は、供給された目標波形とセンサ34で観測された電圧波形とに基づいて目標値を定め、その目標値をゲートドライブ信号発生部33に送り、その結果、電圧波形に基づいてインバータ回路32が駆動制御されることになる。これにより、各パワーコンディショナ21〜23から、相互の位相が120°ずつずれた交流電力が出力されることになる。
次に、三相交流電力を得るためのパワーコンディショナ21〜23の出力の結線方法について、図3を用いて説明する。図3の(A)はY結線の例を示している。各パワーコンディショナ21〜23の単相交流出力の一方がそれぞれY結線での各相の線となり、単相交流出力の他方は接地点(中性点)に共通に接続されている。図3の(B)はΔ結線の例を示しており、各パワーコンディショナ21〜23の一対の出力のそれぞれが、他のパワーコンディショナの出力に接続するように、リング状に結線されている。さらに本発明では、図3の(C)に示すようにV結線を採用することによって、2台のパワーコンディショナ21,22のみを用いて三相交流電力を三相負荷51に供給することもできる。この場合は、パワーコンディショナ21の一方の出力を三相交流の第1の相、パワーコンディショナ21の他方の出力とパワーコンディショナ22の一方の出力を結んで三相交流の第2の相、パワーコンディショナ22の他方の出力を三相交流の第3の相としている。
次に、系統電源が停電したときに三相交流負荷に電力を供給できるようにするための手順について、図4の(A)を用いて説明する。
系統電源が停止した場合(ステップ101)、遮断器43が遮断状態でなければ遮断状態とした上で、それまでは図1の(A)のような結線であったものを、手動で、図1の(B)に示す結線に切り替える(ステップ102)。次に、運転モードを、電流制御を行う通常の単相運転モードから電圧制御を行う三相運転モードに変更して、各パワーコンディショナ21〜23を起動させる(ステップ103)。この運転開始時には、マスタのパワーコンディショナ21からスレーブとなるパワーコンディショナ22,23に対して、三相運転の基準となる周期トリガを伝送し(ステップ104)、運転準備を行う。スレーブのパワーコンディショナ22,23は、運転の準備ができたら、運転待機状態に移行して、運転準備が完了したことを示す待機信号をマスタのパワーコンディショナ21に送信する。スレーブのパワーコンディショナ22,23の両方から待機信号を受信したら、マスタのパワーコンディショナ21は運転を開始し(ステップ105)、スレーブのパワーコンディショナ22,23はマスタのパワーコンディショナ21に追従して運転を開始する(ステップ107)。これにより、三相負荷51に対して三相交流電力を供給できるようになる。
次に、上述のように三相交流電力を供給している場合に、系統電源が復帰し、系統に再度連系する場合の手順について、図4の(B)を用いて説明する。
系統に再度連系するためには、パワーコンディショナ21〜23を三相運転から単相運転に切り替える必要がある。そこで、系統電源の復帰を確認したら、ます、パワーコンディショナ21〜23の三相運転モードをオフにする(ステップ111)。その結果、マスタのパワーコンディショナ21からスレーブのパワーコンディショナ22,23身対して運転停止信号が送信され(ステップ112)、これを受けてスレーブのパワーコンディショナ22,23が運転を停止し(ステップ113)、次に、マスタのパワーコンディショナ21が運転を停止する(ステップ114)。その後、パワーコンディショナ21〜23の運転モードを単相モードに切り替えた上で(ステップ115)、手動で、図1の(B)の結線から図1の(A)の結線に切り替える(ステップ116)。その後、遮断器43を導通状態とすると、各パワーコンディショナ21〜23は、系統電源に連系した運転を開始する(ステップ117)。
以上説明したように本実施形態の災害時対応分散電源システムは、系統電源が稼動しているときには直流電源11〜13を系統電源(単相交流電力)に連系させることができるとともに、系統電源が停電となったときには、上述のような手順を踏むことによって、動力用として重要度の高い三相交流電力を発生することができる。
本発明の実施の一形態の災害時対応分散電源システムの構成を示すブロック図であって、(A)は通常運転時の接続を示し、(B)は系統電源の停電時の接続を示している。 図1に示す災害時対応分散電源システムにおけるパワーコンディショナの構成を示すブロック図である。 三相運転モードでのパワーコンディショナ相互の結線を示す図であって、(A)はY結線、(B)はΔ結線、(C)はV結線を示している。 図1に示した災害時対応分散電源システムの動作を示すフローチャートであって、(A)は系統電源が停電したことにより三相運転モードを起動するときの処理を示し、(B)は系統電源が復帰したことにより連系運転を再開するときの処理を示している。
符号の説明
11〜13 直流電源
21〜23 パワーコンディショナ
31 DC昇圧部
32 インバータ回路
33 ゲートドライブ信号発生部
34 センサ
35 目標値演算部
36 目標電圧波形発生部
41 三相分電盤
42 単相分電盤
43 遮断器
44 停電時専用三相分電盤
51 三相負荷
52 単相負荷

Claims (7)

  1. 系統電源に連系する災害時対応分散電源システムにおいて、
    分散電源と、
    前記分散電源を系統電源に連系させることができ、単相交流電力を出力する複数台のパワーコンディショナと、
    を備え、
    前記系統電源に連系させるときは前記複数台のパワーコンディショナを相互に並列接続して前記系統電源に接続し、前記系統電源の停電時には、前記系統電源から前記複数台のパワーコンディショナを切り離し、前記複数台のパワーコンディショナの交流出力間に所定の位相差が生ずるようにして前記複数台のパワーコンディショナを運転させ、三相交流電力が得られるようにしたことを特徴とする、災害時対応分散電源システム。
  2. 3台の前記パワーコンディショナを有し、三相交流電力を得るときには前記3台のパワーコンディショナの出力をY結線またはΔ結線で接続する、請求項1に記載の災害時対応分散電源システム。
  3. 2台の前記パワーコンディショナを有し、三相交流電力を得るときには前記2台のパワーコンディショナの出力をV結線で接続する、請求項1に記載の災害時対応分散電源システム。
  4. 前記各パワーコンディショナの定格出力が0.1kW以上100kW以下である、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の災害時対応分散電源システム。
  5. 前記複数台のパワーコンディショナのうちの1台がマスタとなって、前記三相交流電力の各相の基準となる信号を生成し他のパワーコンディショナに送信する、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の災害時対応分散電源システム。
  6. 燃料を供給する燃料供給ステーションに設けられ、前記三相交流電力は、前記燃料を移送する燃料ポンプを駆動する三相モータに供給される、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の災害時対応分散電源システム。
  7. 分散電源を系統電源に連系させる複数台のパワーコンディショナの運転方法において、
    前記系統電源に連系させるときには前記複数台のパワーコンディショナの出力を並列に接続して前記系統電源に接続し、前記複数台のパワーコンディショナを電流制御モードで動作させ、
    前記系統電源に連系させない場合には、前記複数台のパワーコンディショナの出力を前記系統電源から切り離し、前記複数台のパワーコンディショナの交流出力間に所定の位相差が生じて前記交流出力が三相交流の各相に対応するように、前記複数台のパワーコンディショナを電圧制御モードで動作させることを特徴とするパワーコンディショナの運転方法。
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