JP2017169253A - 力率改善装置、及びそれを備えた蓄電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】系統の力率を改善する力率改善装置及びそれを備えた蓄電装置を提供することを目的とする。【解決手段】力率改善制御装置11は、系統20と蓄電池15との間に接続された電力変換部11A、電流検出部114、電圧検出部113、及び力率改善制御部115を備える。電流検出部114は系統20と電力変換部11Aの間の交流電流を検出し、電圧検出部113は、系統20と電力変換部11Aの間の交流電圧を検出する。力率改善制御部115は、系統20に接続された交流負荷13の消費電力に応じた交流電力を蓄電池15に充電、及び当該交流電力を蓄電池15から放電の少なくとも一方を行う。【選択図】図2
Description
本発明は、力率改善装置、及びそれを備えた蓄電装置に関する。
電力会社の電力系統から需要家の交流負荷に電力を供給する際、交流負荷が誘導性負荷の場合、電圧に対して電流の位相が遅れ、力率が低下する。電力系統の力率が低下すると皮相電力が大きくなり、電力損失が増大するため、電力会社の発電設備に影響する。そのため、従来より、電力系統の力率を改善するための技術が提案されている。例えば、下記特許文献1には、再生可能発電設備を有する配電系統の無効電力を制御する配電管理システムが開示されている。
ところで、工場等の一部の需要家については、負荷の力率を改善することで、力率に応じた料金を割り引くというインセンティブが電力会社から与えられている。今後、一般家庭でも力率に応じた料金インセンティブが与えられる可能性が考えられる。また、電力の小売の自由化を考慮すると、電力系統の力率が一定程度保たれるように需要家ごとに力率を改善することが望ましい。
本発明は、系統の力率を改善する力率改善装置及びそれを備えた蓄電装置を提供することを目的とする。
本発明に係る力率改善装置は、系統と蓄電池との間に接続され、交流電力を直流電力に変換し、直流電力を交流電力に変換する電力変換部と、前記系統と前記電力変換部との間の交流電流を検出する電流検出部と、前記系統と前記電力変換部との間の交流電圧を検出する電圧検出部と、前記電力変換部を制御し、検出された前記交流電流と前記交流電圧とに基づく力率が所定値となるように、前記系統に接続された交流負荷の消費電力に応じた交流電力を前記蓄電池に充電、及び当該交流電力を前記蓄電池から放電の少なくとも一方を行う力率改善制御部と、を備える力率改善装置。
この構成によれば、系統の力率が所定値となるように、交流負荷の電力消費を考慮した交流電力を蓄電池に充電、及び当該交流電力を蓄電池から放電の少なくとも一方を行う。そのため、系統に接続された交流負荷の電力消費によって系統における力率が低下しても、系統の力率を改善することができる。
また、上記力率改善装置において、前記力率改善制御部は、前記電力変換部において、前記交流負荷の消費電流に応じた交流電流を入力して前記蓄電池を充電することとしてもよい。
この構成によれば、交流負荷の消費電流に応じた交流電流を蓄電池に入力することにより、系統の力率を所定値にすることができる。
また、上記力率改善装置において、前記電力変換部は、前記交流負荷と接続され、前記力率改善制御部は、前記蓄電池を放電して、前記電力変換部から前記交流負荷の消費電流に応じた交流電流を前記交流負荷に出力することとしてもよい。
この構成によれば、交流負荷の消費電流に応じた交流電流を蓄電池から放電して交流負荷に供給することにより、系統の電力が交流負荷によって消費されず、交流負荷の電力消費による力率の低下を抑制することができる。
また、上記力率改善装置において、前記電力変換部は、前記交流負荷と接続され、発電装置で発電された直流電力を交流電力に変換して前記系統へ供給しており、前記力率改善制御部は、前記蓄電池を放電して、前記電力変換部から前記交流負荷の消費電流に応じた交流電流を前記交流負荷に出力することとしてもよい。
この構成によれば、交流負荷の消費電流に応じた交流電流を蓄電池から放電して交流負荷に供給するため、発電装置による電力の売電時に交流負荷の電力消費によって生じる力率の低下を改善することができる。
また、上記力率改善装置において、前記電力変換部は、前記交流負荷と接続され、前記蓄電池から放電した交流電力を前記系統に供給しており、前記力率改善制御部は、さらに、前記蓄電池を放電して、前記交流負荷の消費電流に応じた交流電流を前記電力変換部から前記交流負荷に出力することとしてもよい。
この構成によれば、交流負荷の消費電流に応じた交流電力を蓄電池から放電して交流負荷に供給するため、蓄電池の電力を系統に供給する際に交流負荷の電力消費によって生じる力率の低下を改善することができる。
また、上記力率改善装置において、前記力率改善制御部は、前記交流負荷の消費電力に応じた交流電流を前記電力変換部に入力して前記蓄電池を充電するとともに、前記蓄電池を放電して前記交流負荷の消費電流に応じた交流電流を前記電力変換部から前記系統に出力し、前記蓄電池の充電量と放電量は同等であることとしてもよい。
この構成によれば、系統における力率が所定値となるように、交流負荷の消費電力に応じた交流電流を蓄電池に充電するとともに蓄電池から放電し、蓄電池の充電量と放電量とが同等となっている。そのため、蓄電池が充電と放電の両方を行わない待機モードの場合に、見かけ上は待機モードを保ちつつ、交流負荷の電力消費によって生じる力率の低下を改善することができる。
本発明に係る蓄電装置は、上記したいずれかの力率改善装置と蓄電池とを備える。
この構成によれば、系統の力率が所定値となるように、交流負荷の電力消費を考慮した交流電力を蓄電池に充電、及び当該交流電力を蓄電池から放電の少なくとも一方を行う。そのため、系統に接続された交流負荷の電力消費によって系統における力率が低下しても、系統の力率を改善することができる。
本発明の構成によれば、系統の力率を改善することができる。
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
<第1実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態に係る力率改善装置の接続例を示す概略模式図である。図1に示すように、宅内に設けられたHEMS(Home Energy Management System)等のエネルギー管理システム10に力率改善装置11は設けられる。
図1は、本発明の第1実施形態に係る力率改善装置の接続例を示す概略模式図である。図1に示すように、宅内に設けられたHEMS(Home Energy Management System)等のエネルギー管理システム10に力率改善装置11は設けられる。
エネルギー管理システム10は、系統20と接続された配線Lに分電盤12を介して接続されている。力率改善装置11と交流負荷13は、分電盤12を介して配線Lに接続され、太陽電池14と蓄電池15はそれぞれ力率改善装置11と接続されている。
交流負荷13は、例えば、宅内に設置されたパーソナルコンピュータやサーバ等のOA機器、テレビ、冷蔵庫、照明等、交流電力の供給によって動作する電気機器である。
太陽電池14は、複数のセルが直列又は並列に接続された太陽電池モジュールを備え、光起電力効果によって太陽光を直流電力に変換する。
蓄電池15は、繰り返し充放電可能な二次電池であり、例えば、リチウムイオン電池が用いられる。蓄電池15は、直流電力を蓄電する充電モードと、直流電力を放電する放電モードと、蓄電及び放電のいずれも行っていない待機モードとを有し、力率改善装置11の制御の下、いずれかの動作モードで動作する。
力率改善装置11は、電力変換部11Aと力率改善部11Bとを含む。力率改善部11Bは、系統20と分電盤12とを接続する配線Lにおける力率が所定値となるように、電力変換部11Aを制御して電流制御を行い、蓄電池15を充電又は放電させる。
図2は、力率改善装置11の電力変換部11Aと力率改善部11Bの概略構成を示すブロック図である。図2に示すように、電力変換部11Aは、AC/DCコンバータ111とDC/DCコンバータ112とを含む。
AC/DCコンバータ111は、力率改善部11Bの制御の下、系統20からの交流電力を直流電力に変換してDC/DCコンバータ112に出力したり、DC/DCコンバータ112からの直流電力を交流電力に変換して交流負荷13又は系統20に出力する。
DC/DCコンバータ112は、AC/DCコンバータ111から出力される直流電力や、太陽電池14で生成された直流電力を蓄電池15の電圧に応じた電圧に変換して蓄電池15に出力する。また、DC/DCコンバータ112は、太陽電池14で生成された直流電力、及び蓄電池15から放電された直流電力を所定の電圧に変換してAC/DCコンバータ111に出力する。
力率改善部11Bは、電圧検出部113、電流検出部114、及び力率改善制御部115を有する。
電圧検出部113は、配線Lにおける交流電圧、つまり系統20における交流電圧を検出し、検出結果を力率改善制御部115に出力する。
電流検出部114は、配線Lにおける交流電流、つまり系統20における交流電流を検出し、検出結果を力率改善制御部115に出力する。
力率改善制御部115は、例えば、マイコン等で構成される。力率改善制御部115は、検出された交流電流の実効値(電流実効値)と、検出された交流電圧の実効値(電圧実効値)とに基づいて力率を算出する。そして、力率改善制御部115は、電力潮流(買電又は売電)に応じて、力率が所定値となるように、電力変換部11Aを制御して蓄電池15を充電又は放電させる。なお、交流負荷13が系統20からの電力を消費(買電)、又は系統20に電力が供給(売電)されているか否かは、電流検出部114で検出される電流値の符号に基づいて判断するようにしてもよい。つまり、例えば、系統20から電力の供給を受けている場合に正の電流値が検出されるように電流検出部114が設置されている場合、検出される電流値の符号が正であれば買電と判断し、負であれば売電であると判断する。
(動作)
図3は、本実施形態における力率改善装置11の動作フローを示す図である。なお、以下では、蓄電池15は充電モード又は放電モードで動作し、交流負荷13は電力を消費しているものとして説明する。
図3は、本実施形態における力率改善装置11の動作フローを示す図である。なお、以下では、蓄電池15は充電モード又は放電モードで動作し、交流負荷13は電力を消費しているものとして説明する。
力率改善装置11は、力率改善制御部115において、電圧検出部113と電流検出部114によりそれぞれ検出される交流電圧と交流電流とを用い、系統20の力率を算出する(ステップS11)。そして、力率改善制御部115は、系統20へ電力が逆潮流していない買電状態の場合において(ステップS12:No)、蓄電池15の動作モードが充電モードであれば(ステップS13:Yes)、力率が所定値(例えば1.0)となるように、交流負荷13の消費電流に応じた交流電流をAC/DCコンバータ111に入力して蓄電池15を充電する(ステップS15)。
図4(a)は、交流負荷13が電力を消費している場合(買電)の系統20における電圧波形W1と、交流負荷13の消費電流波形W2と、系統20の力率が所定値(例えば1.0)である場合の系統20における電流波形W3とを例示した図である。
消費電流波形W2で示すように、交流負荷13の電力消費によって、電圧波形W1よりも電流の位相が遅れ、系統20の力率は所定値よりも低下する。この場合、力率改善制御部115は、系統20における電流が電流波形W3となるように、AC/DCコンバータ111において入力電流を制御して蓄電池15を充電する。すなわち、交流負荷13の消費電流と、AC/DCコンバータ111に入力する交流電流とを合わせた電流波形が電流波形W3となるように、図4(b)の電流波形W4で示す電流をAC/DCコンバータ111において入力して蓄電池15を充電する。これにより、系統20における電流波形は、消費電流波形W2の歪みが補償された電流波形W3となり、力率が改善される。
一方、ステップS13において、蓄電池15の動作モードが放電モードである場合(ステップS13:No)、力率改善制御部115は、力率が所定値(例えば0)となるように、交流負荷13の消費電流に応じた交流電流がAC/DCコンバータ111から出力されるように蓄電池15を放電する(ステップS15)。
図5(a)は、上記した図4(a)と同様、買電時の系統20における電圧波形W1と、交流負荷13の消費電流波形W2と、力率改善後の系統20の電流波形W6を例示した図である。交流負荷13が系統20の電力を消費することにより無効電力が生じて系統20の力率が低下する。蓄電池15が放電モードの場合、交流負荷13の消費電力を蓄電池15の電力で補うべく、蓄電池15を放電して、交流負荷13の消費電流に相当する図5(b)の電流波形W5をAC/DCコンバータ111から交流負荷13に供給する。これにより、交流負荷13は蓄電池15から放電された電力を消費し、系統20における電流は図5(a)の電流波形W6で示すように0となり、力率は0になる。この場合、系統20から宅内に流れる電流は0であるため、系統20からの電力を交流負荷13が消費することによる系統20の力率の低下が抑制される。
また、ステップS12において電力が逆潮流している場合に(ステップS12:Yes)、太陽電池14で発電された電力の売電であるとき(ステップS16:Yes)、力率改善制御部115は、系統20における電圧と電流とが逆位相になるように、つまり、力率の絶対値が1.0となるように、交流負荷13の消費電力に応じた電流を蓄電池15から放電して交流負荷13に供給する(ステップS17)。
図6(a)は、太陽電池14の電力の売電中における、系統20の電圧波形W11、交流負荷13の消費電流波形W12、力率改善前の系統20の電流波形W13、力率改善後の系統20の電流波形W14を例示した図である。
太陽電池14の電力を売電する場合、電力変換部11Aにおいて、所定の力率(例えば1.0)となるように太陽電池14で生成された直流電力を交流電力に変換して出力する。このとき、交流負荷13による電力消費がなければ、系統20における電流波形は図6(a)の電流波形W14となる。図6(a)の消費電流波形W12で示すように、交流負荷13が電力を消費することによって生じる無効電力によって、系統20の電流波形は電流波形W23となり、力率が低下する。
この場合、力率改善制御部115は、売電時の系統20における電流と電圧とが逆位相となるように、蓄電池15を放電し、交流負荷13の消費電流に相当する図6(b)の電流波形W15をAC/DCコンバータ111から交流負荷13に供給する。これにより、交流負荷13は蓄電池15から放電された電力を消費し、系統20の電流波形は図6(a)に示す電流波形W14となり、系統20の力率は所定値に改善される。
一方、ステップS16において、蓄電池15から放電した電力が系統20に供給されている場合(ステップS16:No)、力率改善制御部115は、系統20における電圧と電流とが逆位相となるように、つまり力率の絶対値が1.0となるように、交流負荷13の消費電流を合わせた電流を蓄電池15から放電し、系統20と交流負荷13に供給する(ステップS18)。
図7(a)は、蓄電池15の電力を系統20に供給しているときの、系統20の電圧波形W11、交流負荷13の消費電流波形W12と、力率改善前の系統20の電流波形W23、及び力率改善後の系統20の電流波形W24を例示した図である。
蓄電池15から放電した電力を系統20へ供給する場合、電力変換部11Aにおいて、所定の力率(例えば1.0)となるように、蓄電池15の直流電力を交流電力に変換して出力する。このとき、交流負荷13による電力消費がなければ、系統20における電流波形は、図7(a)の電流波形W24となる。図7(a)の消費電流波形W12で示すように、交流負荷13の電力消費によって生じる無効電力により、系統20の電流波形は電流波形W23となり、力率が低下する。
この場合、力率改善制御部115は、系統20における電流と電圧とが逆位相となるように、系統20に供給する電力に加え、交流負荷13の消費電力に相当する電力を蓄電池15から放電し、交流負荷13の消費電力を補う。従って、系統20に出力される電流と消費電流波形W12に相当する電流とを合わせた図7(b)の電流波形W25がAC/DCコンバータ111から出力される。これにより、交流負荷13は蓄電池15から供給される交流電力を消費し、系統20の電流波形は図7(a)に示す電流波形W24となり、系統20の力率が改善される。
<第2実施形態>
本実施形態では、系統20から交流負荷13に電力が供給されている場合において、蓄電池15が待機モードの場合の力率改善制御について説明する。
本実施形態では、系統20から交流負荷13に電力が供給されている場合において、蓄電池15が待機モードの場合の力率改善制御について説明する。
図8は、本実施形態における力率改善装置11の動作フロー図である。力率改善装置11は、第1実施形態と同様、力率改善制御部115において、系統20における交流電圧と交流電流とに基づいて力率を算出する(ステップS11)。そして、力率改善制御部115は、算出した力率が所定値となるように、交流負荷13の消費電力に応じた電力を蓄電池15に充放電する(ステップS20)。
系統20における電圧が図9(a)に示す電圧波形W31であり、交流負荷13の電力消費によって生じる無効電力によって、交流負荷13の消費電流が図9(a)に示す消費電流波形W32となる場合、力率改善制御部115は、系統20における電流波形が図9(a)に示す電流波形W33となるように、蓄電池15を充放電させる。
具体的には、力率改善制御部115は、交流負荷13の消費電流波形W32に応じて、図9(b)に示す電流波形W34がAC/DCコンバータ111に入出力されるように蓄電池15の充電と放電とを行う。なお、充放電を行っている間の充電量と放電量は同等である。充電量は、AC/DCコンバータ111から蓄電池15に入力される交流電流を充電時間で積分した値であり、放電量は、蓄電池15からAC/DCコンバータ111に出力された交流電流を放電時間で積分した値である。
そのため、充放電後の蓄電池15の残量は充放電の開始前と略同じであり、見かけ上は待機モードが維持される。また、系統20における電流は図9(a)に示す電流波形W33となり、系統20の力率が所定値に改善される。
<変形例>
以上、本発明の実施形態を説明したが、上述した実施形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施形態を適宜変形して実施することが可能である。以下、本発明の変形例について説明する。
以上、本発明の実施形態を説明したが、上述した実施形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施形態を適宜変形して実施することが可能である。以下、本発明の変形例について説明する。
(1)上述した第1実施形態では、図3のステップS16において、太陽電池14で発電された電力を売電中(ステップS16:Yes)、系統20の力率が所定値となるように蓄電池15を放電する例(図6(a)(b))を説明したが、このとき蓄電池15を充電してもよい。具体的には、図10(a)に示すように、交流負荷13の消費電流波形W12の歪みを補償するべく、消費電流波形W12に応じた図10(b)に示す電流波形W15’をAC/DCコンバータ111に入力して蓄電池15を充電する。これにより、系統20の電流波形は電流波形W14’となる。つまり、蓄電池15を充電することによって、太陽電池14から系統20へ出力される電力が相殺され、系統20における電流は0となり、力率は0になる。その結果、系統20からの電力を交流負荷13が消費することによる系統20の力率の低下が抑制される。
(2)上述した実施形態では、力率改善装置と蓄電池とが宅内に設置される例を説明したが、図11に示すように、力率改善装置110と蓄電池15とを含む蓄電装置30が宅外に設置されていてもよい。本実施形態において、宅外とは、需要家毎に設けられる料金メータの外側(系統側)である。但し、分電盤12の中に電力会社のアンペアブレーカーが設置されている場合、アンペアブレーカーより外側(系統側)を宅外とする。
力率改善装置110は、第1実施形態と同様の電力変換部11Aと力率改善部110Bとを含む。以下、第1実施形態と異なる点について主に説明する。力率改善部110Bは、系統20における交流電圧と交流電流とを検出し、検出した交流電圧と交流電流とに基づいて系統20における力率を算出する。力率改善部110Bは、交流負荷13が電力を消費している場合、上述した第1実施形態の図4(a)(b)と同様、系統20の力率が所定値となるように、交流負荷13の消費電流に応じた電流波形W4(図4(b))をAC/DCコンバータ111に入力して蓄電池15を充電する。
また、図11には図示されていないが、太陽電池等の発電装置が宅内に設置されている場合において、発電装置で発電された電力が系統20に供給されていてもよい。例えば、宅内に電力が供給されている買電の場合に系統20の電流値が正となるように電流検出部が設けられている場合、力率改善部110Bは、検出される交流電流値の符号が負であれば売電状態であると判断する。図12(a)は、売電時に交流負荷13が電力を消費している場合の系統20における電圧波形W11と、交流負荷13の消費電流波形W12と、力率改善前の系統20における電流波形W42と、力率が所定値(例えば1.0)系統20における電流波形W44とを示している。図12(a)に示すように、売電時に交流負荷13による電力消費によって、系統20の電流波形W42は歪み、電圧波形W11と逆位相とならない。この場合、力率改善装置110は、交流負荷13の消費電流を補うように、消費電流波形W12に応じた図12(b)に示す電流波形W43がAC/DCコンバータ111から出力されるように蓄電池15を放電する。これにより、系統20の電流波形は図12(a)に示す電流波形W44となり、系統20の力率が所定値に改善される。
(3)上述した実施形態では、力率改善装置11に太陽電池14が接続されている例を説明したが、太陽電池に限らず、風力を用いた発電装置や燃料電池等を発電装置として用いてもよいし、力率改善装置11に発電装置が接続されていなくてもよい。
(4)上述した実施形態の力率改善装置は、系統における交流電流波形の歪みによる力率低下を改善するものとして説明したが、交流電流の位相シフトによる力率低下の改善に適用してもよい。
10・・・エネルギー管理システム、11,110・・・力率改善装置、11A・・・電力変換部、11B・・・力率改善部、12・・・分電盤、13・・・交流負荷、14・・・太陽電池、15・・・蓄電池、20・・・系統、30・・・蓄電装置、111・・・AC/DCコンバータ、112・・・DC/DCコンバータ、113・・・電圧検出部、114・・・電流検出部、115・・・力率改善制御部
Claims (7)
- 系統と蓄電池との間に接続され、交流電力を直流電力に変換し、直流電力を交流電力に変換する電力変換部と、
前記系統と前記電力変換部との間の交流電流を検出する電流検出部と、
前記系統と前記電力変換部との間の交流電圧を検出する電圧検出部と、
前記電力変換部を制御し、検出された前記交流電流と前記交流電圧とに基づく力率が所定値となるように、前記系統に接続された交流負荷の消費電力に応じた交流電力を前記蓄電池に充電、及び当該交流電力を前記蓄電池から放電の少なくとも一方を行う力率改善制御部と、
を備える力率改善装置。 - 前記力率改善制御部は、前記電力変換部において、前記交流負荷の消費電流に応じた交流電流を入力して前記蓄電池を充電する、請求項1に記載の力率改善装置。
- 前記電力変換部は、前記交流負荷と接続され、
前記力率改善制御部は、前記蓄電池を放電して、前記電力変換部から前記交流負荷の消費電流に応じた交流電流を前記交流負荷に出力する、請求項1に記載の力率改善装置。 - 前記電力変換部は、前記交流負荷と接続され、発電装置で発電された直流電力を交流電力に変換して前記系統へ供給しており、
前記力率改善制御部は、前記蓄電池を放電して、前記電力変換部から前記交流負荷の消費電流に応じた交流電流を前記交流負荷に出力する、請求項1に記載の力率改善装置。 - 前記電力変換部は、前記交流負荷と接続され、前記蓄電池から放電した交流電力を前記系統に供給しており、
前記力率改善制御部は、さらに、前記蓄電池を放電して、前記交流負荷の消費電流に応じた交流電流を前記電力変換部から前記交流負荷に出力する、請求項1に記載の力率改善装置。 - 前記力率改善制御部は、前記交流負荷の消費電力に応じた交流電流を前記電力変換部に入力して前記蓄電池を充電するとともに、前記蓄電池を放電して前記交流負荷の消費電流に応じた交流電流を前記電力変換部から前記系統に出力し、前記蓄電池の充電量と放電量は同等である、請求項1に記載の力率改善装置。
- 請求項1から6のいずれか一項に記載の力率改善装置と、
前記蓄電池と、
を備える蓄電装置。
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