JP3825020B2 - 分散給電システム - Google Patents

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この出願の発明は、分散給電システムに関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、自然エネルギーと燃料電池および夜間・深夜電力の蓄電エネルギーを組み合わせた分散給電に有用であって、特に複数の交・直流エネルギー源を電子変圧器とダイオード、オア回路により相互接続して効率良く負荷に電力を供給することのできる、新しい分散給電システムに関するものである。
クリーン・エネルギーの代表例として、太陽光発電が普及してきている。また、風力発電も一部地域で導入されている。これら自然エネルギーは天候や気象条件の変化のため、日照時間や風車の稼働時間比率、さらに発生電力が常に変動し、電力の安定供給が困難であり、現状は商用電力を主としながら、補助的なエネルギー源として利用される例が多い。
しかしながら、地球温暖化を抑制する２１世紀の電力供給システムは地球規模で検討が進められており、原子力、火力および水力といった集中発電に加えて消費地域に密着した分散給電による効率の良い電力供給手段が種々検討されつつある。
さらに、従来の上記集中発電においても、昼夜間の消費電力量の大幅な変動を平準化して発送電系統の効率的運用を図るため、夜間・深夜電力を有効利用する制度が導入されてもいる。
一方、パワー・エレクトロニクス分野では、従来の銅鉄型変圧器では実現することのなかった交・直流両用の電子変圧器が開発され、エネルギー源の交流・直流を問わず電力変換が可能になっている。したがって、商用電源や風力発電のような交流電力と太陽光、燃料電池、深夜電力貯蔵用電池のような直流電力とが電子変圧器によって結ばれ、各エネルギー源の開閉により、交流電力と直流電力が、半サイクル以内の瞬断を許容する無停電電源として各家庭・事務所等で利用可能になる。
現在、国内で普及している家電機器で確実に交・直流両用可能な機種としては電球、インバータ型蛍光灯、電動工具などがあり、エアコン、冷蔵庫、電子レンジ、掃除機、パソコン、ＦＡＸなどは一部に倍電圧整流回路や交流保護回路の組み込まれた機種を除き、インバータ型であれば原則的に使用可能である。一方、サイリスタ位相制御方式の調光器や暖房器具、炊飯器は直流での使用不能というのが現状である。したがって、当面は交流専用の機器と交・直流両用の家電機器とは屋内配線系統（コンセント）を分けて使用しなければならない不便さはある。
しかしながら、従来方式は直流発電エネルギーをインバータを通して常に商用交流に逆変換し、実負荷内で再度直流に変換し、さらに高周波インバータや可変周波数交流電力に変換して電動機やコンプレッサーを駆動するため、変換ロスが多い。
図１は、低圧配電系において、交・直流エネルギー源を分散給電システムに使用する場合における従来の家電機器の交・直流給電の適合性の可否を分類した図であり、それらと変換効率との関係を示している。たとえば、太陽光発電から蛍光灯を点灯させる場合の効率はη1，η2，η3であり、パソコンやＦＡＸを動作させる場合はη1，η2，η3，η4と
なる。
また図２は、低圧配電系において、交・直流エネルギー源を直接負荷に供給する場合における太陽光発電と風力発電の従来例を示したものである。この図２に例示したように、従来は、太陽光は系統連繋インバータ（通称：パワー・コンディショナ）を介して商用交流電源と負荷の両方に直接電力を供給し、風力発電は発生電力の時間変動が激しいため、蓄電池に蓄えた後、充・放電機能を持つ双方向コンバータを介して系統連繋を行うというように、それぞれ別個のシステムとして構成されてきた。太陽光については、日中の有効電力発生時間は晴天時でも６〜８時間であり、一方風力発電の週間または月間発電時間比率は季節や地域によって大きく変わるが、我国の平均的な発電時間比率は太陽光の発電時間比率よりも低いと見られている。これが、欧米に比べて普及が進んでいない一因でもある。
このように稼動比率の低いエネルギー発生源の電力毎にインバータ等の制御機器を設けていたのでは、システム全体のコストが上がり、普及を阻害する一因となる。
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑み、これら変動要因の大きい自然エネルギー系電力と深夜電力や燃料電池等の安定電力とを組み合わせて、ほぼ１００％に近い使用率で共通に利用される電子変圧器を介して負荷に安定電力を供給し、システム全体の価格・性能比率を高め、分散給電の普及促進と省エネルギー化を図ることのできる、新しい分散給電システムを提供することを課題としている。
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、風力発電装置、太陽光発電装置および燃料電池のうちの少なくとも１つと、蓄電池と、商用交流電源とを用いて、交・直流両用負荷への分散給電を行う分散給電システムであって、風力発電装置、太陽光発電装置および燃料電池は各々の定格電力電圧が蓄電池の定格電圧に統一された直流電力源となっており、蓄電池が当該直流電力源により満充電に達するまでは商用交流電源からの交流電力を交・直流両用負荷へ供給し、蓄電池の満充電時には当該蓄電池からの直流電力を交・直流両用負荷へ供給し、蓄電池の放電終期に近づくと商用交流電源からの交流電力を交・直流両用負荷へ供給するようになっていることを特徴とする分散給電システムを提供する。
第２には、風力発電装置、太陽光発電装置および燃料電池のうちの少なくとも１つと、蓄電池と、商用交流電源とを用いて、二巻線電子変圧器を経由してもしくは経由しないで交・直流両用負荷への分散給電を行う分散給電システムであって、風力発電装置、太陽光発電装置および燃料電池は各々の定格電力電圧が蓄電池の定格電圧に統一された直流電力源となっており、二巻線電子変圧器は交・直流両用で２つの双方向入出力端子を有しており、当該二巻線電子変圧器の一方の双方向入出力端子は直流電力源の出力側に接続され、他方の双方向入出力端子は商用交流電源と交・直流両用負荷との間をＴ字型に接続しており、蓄電池が直流電力源により満充電に達するまでは商用交流電源からの交流電力を二巻線電子変圧器を経由しないで交・直流両用負荷へ供給し、蓄電池の満充電時もしくは商用交流電源の停電時には直流電力源および蓄電池からの直流電力を二巻線電子変圧器を経由して交・直流両用負荷へ供給し、蓄電池の放電進行時には燃料電池から電力補給を行い、夜間・深夜電力供給時間帯には商用交流電源からの交流電力を交・直流両用負荷へ供給するとともに、二巻線電子変圧器の有する双方向性と交・直流変換機能とにより蓄電池の充電を行うようになっていることを特徴とする分散給電システムを提供する。
第３には、風力発電装置、太陽光発電装置および燃料電池のうちの少なくとも１つと、蓄電池と、商用交流電源とを用いて、三巻線電子変圧器を経由して交・直流両用負荷への分散給電を行う分散給電システムであって、風力発電装置、太陽光発電装置および燃料電池は各々の定格電力電圧が蓄電池の定格電圧に統一された直流電力源となっており、三巻線電子変圧器は交・直流両用で３つの双方向入出力端子を有しており、直流電力源および蓄電池と商用交流電源と交・直流両用負荷とは当該三巻線電子変圧器によって相互に絶縁して接続されており、蓄電池が直流電力源により満充電に達するまでは商用交流電源からの交流電力を三巻線電子変圧器を経由して交・直流両用負荷へ供給し、蓄電池の満充電時もしくは商用交流電源の停電時には直流電力源および蓄電池からの直流電力を三巻線電子変圧器を経由して交・直流両用負荷へ供給し、蓄電池の放電進行時には燃料電池から電力補給を行い、夜間・深夜電力供給時間帯には商用交流電源からの交流電力を交・直流両用負荷へ供給するとともに、三巻線電子変圧器の有する双方向性と交・直流変換機能とにより蓄電池の充電を行うようになっていることを特徴とする分散給電システムを提供する。
第４には、上記燃料電池用の圧縮水素の貯蔵が可能となっていることを特徴とする分散給電システムを提供する。
上記のとおりのこの出願の発明によれば、たとえば図３に例示したように、交流・直流源とも直接負荷に供給する場合、図１の従来例と比べてインバータの効率η1が除かれる分、効率が改善されることになる。また、実際には保安上の理由から、商用交流電源と分散発電用機器との間に絶縁と変圧を兼ねた装置を挿入することが考えられ、この場合は改めてη1’の効率を考慮する必要があるが、絶縁機能も含む数キロワット以下のＤＣ−ＡＣインバータの効率η1は９０％前後であり、同一容量の電子変圧器の効率η1’は９４〜９５％であり、η1＜η1’となるので、この出願の発明によるシステムが優れている。
［第一の実施形態］
図４は、この出願の発明の一実施形態を示したものである。
この図４に示した実施形態では、まず、風力発電装置ＷＴＧ(Wind Turbine Generator)、太陽光発電装置ＰＶ(Photo Voltaic)および燃料電池ＦＣ(Fuel Cell)の３つを組み合わせて用いており、それぞれ定格電力電圧が蓄電池Ｂ(Battery)の定格電圧に統一された直流電力源となっている。そして、蓄電池Ｂがそれら直流電力源ＷＴＧ，ＰＶ，ＦＣにより満充電に達するまでは商用交流電源Utilityからの交流電力を交・直流両用負荷Ｌac/dcへ供給し、蓄電池Ｂが満充電に達すると当該蓄電池Ｂからの直流電力を交・直流両用負荷Ｌac/dcへ供給し、蓄電池Ｂの放電が進んで放電終期に近づくと商用交流電源Utilityからの交流電力を交・直流両用負荷Ｌac/dcへ供給するように構成されており、制御回路（図示していない）によってその直流給電・交流給電の切り替えが制御されるようになっている。
蓄電池Ｂの充電は、通常は風力発電装置ＷＴＧおよび太陽光発電装置ＰＶにより行われ、それらの発生電力が十分でない場合は日中であれば燃料電池ＦＣにより行われ、夜間・深夜つまり日中より電気料金が安くなる時間帯であれば充電器ＣＨＧ１を介して夜間・深夜電力により行われる。
蓄電池Ｂが満充電に達すると、制御回路からの指示によりスイッチＳＷが開き、交流リレーＲＬが復旧して直流電源に切り換わり、交・直流両用負荷Ｌac/dcに引き続き直流電
力を供給する。
蓄電池Ｂの放電終期に近づくと制御回路の指示によりスイッチＳＷが閉じ、商用交流電源Utilityによる交流給電に戻る。
［第二の実施形態］
図５は、この出願の発明の別の一実施形態を示したものである。
この図５に示した実施形態では、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータConvおよび二巻線電子変圧器２を具備しており、二巻線電子変圧器２は、蓄電池側電圧と負荷側電圧との整合と絶縁機能を持つ高周波変圧器ＨＦＴと、その蓄電池側巻線および負荷側巻線に接続された１０〜５０ｋＨｚで動作する変復調半導体スイッチＳＷ３，ＳＷ２と、さらに負荷側に接続されたフィルタＦ２とで構成されている。
この二巻線電子変圧器２は交・直流両用で２つの双方向入出力端子２ａ，２ｂを有し、一方の双方向入出力端子２ａは直流電力源の出力側に接続され、他方の双方向入出力端子２ｂは商用交流電源Utilityと交・直流両用負荷Ｌac/dcとの間をＴ字型に接続している。
かかる回路構成において、蓄電池Ｂが直流電力源ＷＴＧ，ＰＶ，ＦＣにより満充電に達するまでは商用交流電源Utilityからの交流電力を二巻線電子変圧器２を経由しないで交・直流両用負荷Ｌac/dcへ供給し、蓄電池Ｂの満充電時もしくは商用交流電源Utilityの停電時には直流電力源ＷＴＧ，ＰＶ，ＦＣおよび蓄電池Ｂからの直流電力を二巻線電子変圧器２を経由して交・直流両用負荷Ｌac/dcへ供給し、蓄電池Ｂの放電進行時には燃料電池ＦＣから電力補給を行い、夜間・深夜電力供給時間帯には商用交流電源Utilityからの交流電力を交・直流両用負荷Ｌac/dcへ供給するとともに、二巻線電子変圧器２の有する双方向性と交・直流変換機能とにより蓄電池Ｂの充電を行う。
そして、充・放電に伴う蓄電池電圧の変動は充電時・放電時を問わず双方向ＤＣ−ＤＣコンバータConvの電圧調整機能により蓄電池Ｂの電圧変動を調整し、交・直流両用負荷Ｌac/dcに安定した電圧を供給できるようになっている。
また、二巻線電子変圧器２は双方向性と交・直流変換機能とによる正・逆双方向のエネルギー伝送が可能であるため、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータConvと連動して夜間・深夜電力の充電器（図１におけるＣＨＧ）の役割を果たすことができる。
［第三の実施形態］
図６は、この出願の発明のさらに別の一実施形態を示したものである。
この図６に示した実施形態では、商用交流電源Utilityと交・直流両用負荷Ｌac/dcとの間の絶縁と電源電圧の変動を調整するために、交・直流両用で３つの双方向入出力端子３ａ，３ｂ，３ｃを有する三巻線電子変圧器３を具備しており、直流電力源ＷＴＧ，ＰＶ，ＦＣおよび蓄電池Ｂと商用交流電源Utilityと交・直流両用負荷Ｌac/dcとを相互に絶縁して接続した構成となっている。三巻線電子変圧器３は、蓄電池側電圧と負荷側電圧との整合と絶縁機能を持つ高周波変圧器ＨＦＴと、その商用交流電源側巻線および蓄電池側巻線および負荷側巻線に接続された１０〜５０ｋＨｚで動作する変復調半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ２と、さらに商用交流電源側及び負荷側に接続されたフィルタＦ１，Ｆ２とで構成されている。
かかる回路構成において、蓄電池Ｂが直流電力源ＷＴＧ，ＰＶ，ＦＣにより満充電に達するまでは商用交流電源Utilityからの交流電力を三巻線電子変圧器３を経由して交・直流両用負荷Ｌac/dcへ供給し、蓄電池Ｂの満充電時もしくは商用交流電源Utilityの停電時には直流電力源ＷＴＧ，ＰＶ，ＦＣおよび蓄電池Ｂからの直流電力を三巻線電子変圧器３を経由して交・直流両用負荷Ｌac/dcへ供給し、蓄電池Ｂの放電進行時には燃料電池ＦＣから電力補給を行い、夜間・深夜電力供給時間帯には商用交流電源Utilityからの交流電力を交・直流両用負荷Ｌac/dcへ供給するとともに、三巻線電子変圧器３の有する双方向性と交・直流変換機能とにより蓄電池の充電Ｂを行うようになっている。
ここで、商用交流電源Utilityの電圧変動に対しては変復調半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ２のパルス幅変調（ＰＷＭ）制御またはパルス位相変調（ＰＰＭ）制御により電圧調整が可能であり、商用交流電源Utilityおよび直流電力源ＷＴＧ，ＰＶ，ＦＣの変動に対して安定した負荷電圧を供給でき、また同時に変復調半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ３を通して夜間・深夜電力による充電も可能である。
以上の図５および図６の実施形態では、交流リレーＲＬの接点ＣＴ１，ＣＴ２，ＣＴ３により交流電力または直流電力を切り替えて交・直流両用負荷Ｌac/dcに電力を供給する回路構成となっており、風力発電装置ＷＴＧ、太陽光発電装置ＰＶおよび燃料電池ＦＣのエネルギーを、蓄電池Ｂを経由して商用交流電源側に逆潮流（系統連繋）させることなく、負荷側で消費する。
［参考実施形態］
図７および図８は、各々、この出願の発明の参考実施形態を示したものである。これら図７および図８に示した参考実施形態では、蓄電池Ｂと双方向ＤＣ−ＤＣコンバータConvを直結することにより逆潮流が可能なものとなっている。現在、国内の売電契約の中では夜間・深夜電力を逆潮流させることは許容されていないが、風力発電・太陽光発電については逆潮流が認められており、燃料電池発電時の逆潮流については不明であるが、純技術的観点から見ると逆潮流はすべて可能になる。
本参考実施形態においては、まず、蓄電池Ｂが直流電力源ＷＴＧ，ＰＶ，ＦＣにより満充電に達するまでは、商用交流電源Utilityからの交流電力を、図７では双方向ＤＣ−ＤＣコンバーConvおよび二巻線電子変圧器４を経由しないで、図８では三巻線電子変圧器５を経由して、交流専用負荷Ｌacへ供給する。蓄電池Ｂの満充電時もしくは商用交流電源Utilityの停電時には、直流電力源ＷＴＧ，ＰＶ，ＦＣおよび蓄電池Ｂからの直流電力を双方向ＤＣ−ＤＣコンバータConvの半サイクル正弦波変調により単相全波整流波形に変換した後、二巻線電子変圧器４（図７）・三巻線電子変圧器５（図８）の高周波変圧器ＨＦＴの蓄電池側に接続された変復調半導体スイッチＳＷ３を構成する２個または２対（計４個）の単方向半導体スイッチ（図示していない）の高周波変調位相を商用周波数の半サイクル毎に交互に逆転し、高周波変圧器ＨＦＴの負荷側に接続された変復調半導体スイッチＳＷ２により復調して正弦波交流出力を取り出して交流専用負荷Ｌacへ供給する。蓄電池Ｂの放電進行時には、燃料電池ＦＣから電力補給を行う。夜間・深夜電力供給時間帯には、商用交流電源Utilityからの交流電力を交流専用負荷Ｌacへ供給するとともに、二巻線電子変圧器４（図７）・三巻線電子変圧器５（図８）の有する双方向性および交・直流変換機能ならびに双方向ＤＣ−ＤＣコンバータConvの充電時の昇圧型高力率整流動作を併用して蓄電池Ｂの充電を行う。さらに、軽負荷時で蓄電池Ｂが満充電に近く且つ商用交流電源Utilityが停電でないときは、直流電力を二巻線電子変圧器４（図７）・三巻線電子変圧器５（図８）の有するエネルギーの双方向伝送特性を用いて交流に変換し、商用交流電源側に自動的に位相同期して逆潮流させる。
ここで、図７の参考実施形態における双方向ＤＣ−ＤＣコンバータConvの駆動方式について、図９および図１０を用いてより具体的に説明する。図９は夜間・深夜電力等の充電時、図１０は蓄電池Ｂから交・直流両用負荷Ｌac/dcまたは商用交流電源Utilityへ逆潮流させる場合のインバータ動作例を示している。
両図では、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータConv（図７参照）を構成するスイッチＳ７，Ｓ８とダイオードＤ７，Ｄ８は、後述の図１１〜図１４における回路素子記号との統一を採っている。その他の記号は図４〜図８と同一である。二巻線電子変圧器４内の蓄電池側の変復調半導体スイッチＳＷ３（図７参照）は、実際には後述の図１３に例示したように２個の単方向半導体スイッチＳ５，Ｓ６、あるいはブリッジの場合で２対（計４個）の単方向半導体スイッチ（図示していない）により構成できる。また負荷側の変復調半導体スイッチＳＷ２（図７参照）は、図１３に例示したように２個のスイッチＳ３，Ｓ４で構成できる。
蓄電池側の変復調半導体スイッチＳＷ３が２個の単方向半導体スイッチＳ５，Ｓ６により構成される場合において、単方向半導体スイッチＳ５，Ｓ６（図１３参照）を商用周波数の半サイクル毎に変調波の駆動位相を切り替えることにより、負荷側および商用交流電源側のスイッチＳ３，Ｓ４（図１３参照）が正弦波交流であるときは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータConvのコンデンサＣ６の両端に２相半波の直流出力電圧６が発生する（図９，図１３参照）。そして図９中のスイッチＳ８を通常の昇圧型力率改善専用ＩＣ（PFC-IC）で駆動し、一方でスイッチＳ７を止め、ダイオードＤ７を通してチョーク・コイルＣＨに蓄えられたエネルギーで蓄電池Ｂを充電する。蓄電池Ｂの充電電圧は昇圧動作のため、二巻線電子変圧器４の出力最大振幅より高い電圧が発生し、十分な充電が可能である。
一方、蓄電池Ｂから正弦波交流を発生させるインバータ動作の場合には、図１０に示したように、スイッチＳ７を正弦波変調されたＰＷＭ信号により駆動し、チョーク・コイルＣＨとコンデンサＣ６で構成されたフィルタ出力側に２相半波または単相全波整流出力６を発生させる。この出力を変復調半導体スイッチＳＷ３の単方向半導体スイッチＳ５，Ｓ６（図７，図１３参照）により高周波変調（１０ｋ〜５０ｋＨｚ）するが、このとき変復調半導体スイッチＳＷ２のスイッチＳ３，Ｓ４（図７，図１３参照）側で正弦波となるように、単方向半導体スイッチＳ５，Ｓ６（図７，図１３参照）側で商用周波数の半サイクル毎に変調パルスの駆動位相を反転させる。このようにして、二巻線電子変圧器４の出力側つまり負荷側および商用交流電源側に正弦波交流出力を取り出すことができる。
また、全く同様の手法で、図８の三巻線電子変圧器５を用いて商用交流電源Utility、
交流専用負荷Ｌacおよび蓄電池Ｂ系を完全に絶縁し、それぞれの電圧値にも整合する巻数比において、高周波変圧器ＨＦＴはすべて正弦波商用交流周波数でのエンベロープ変調動作が可能となり、負荷はすべて従来の交流専用負荷Ｌacが使用可能となる。
なお、以上の実施形態は風力発電装置ＷＴＧ、太陽光発電装置ＰＶおよび燃料電池ＦＣの３つ全てを組み合わせた場合のものであるが、それらのうちの１つのみを用いた場合でも任意の２つを組み合わせた場合でも、この出願の発明を適用できることは言うまでもなく、同様に優れた分散給電システムを実現できる。
図１１は、図５の実施形態のより具体的な一実施例を示したものである。使われている符号は図５中の符号と一致しているので、ここでは追加した符号のみ説明する。
まず、ＴＭは交・直流給電および夜間・深夜電力充電のためのタイマーで、制御回路CONT-2により制御される。CONT-1は風車発電装置ＷＴＧの制御回路で、風車発電装置ＷＴＧが交流の場合は自動車用発電機のように整流し、直流の場合はそのまま電圧調整を行う通常公知の制御回路となる。Ｓ３，Ｓ４は双方向半導体スイッチで、図中の拡大図のとおり２個の単方向半導体スイッチを背面突合せ(Back to Back Connection)として交・直流両用のスイッチ動作を行う。Ｓ５〜Ｓ８は単方向半導体スイッチで、Ｄ５〜Ｄ８は内蔵または外付のダイオード、Ｃ１〜Ｃ６はコンデンサ、ＣＨはチョーク・コイルである。Ｎ２〜Ｎ４は高周波変圧器ＨＦＴの巻線である。
この図１１の実施例において、商用交流電源Utilityからの交流給電時には単方向半導体スイッチＳ５，Ｓ６，Ｓ７を止め、双方向半導体スイッチＳ３，Ｓ４と高周波変圧器ＨＦＴとダイオードＤ５，Ｄ６を通してコンデンサＣ６の両端に直流電圧が発生する。この直流電圧を単方向半導体スイッチＳ８およびダイオードＤ７により電圧調整して蓄電池Ｂの充電が可能になり、それと同時に交・直流両用負荷Ｌac/dcに交流電力を供給する。日中の太陽光発電や時間帯を問わない風力発電を主として商用交流電源Utilityからの充電は従または零としても差し支えない。商用交流電源Utilityの停電時には交流リレーＲＬの復旧により直ちに直流電力源ＷＴＧ，ＰＶ，ＦＣおよび蓄電池Ｂからの直流給電に切替わり、二巻線電子変圧器２を通して負荷側に直流電力が給電され、交・直流両用負荷Lac/dcが動作を持続する。このときは、単方向半導体スイッチＳ８のみが動作を止め、単方向半導体スイッチＳ７およびダイオードＤ８で直流電圧を制御つまり降圧調整する。また蓄電池Ｂの放電に伴い燃料電池ＦＣを動作させ、放電を行うこともできる。
以上の説明は商用交流電源Utilityの停電時間の長い場合であるが、停電が無い場合でも蓄電池Ｂが満充電に到達した場合には、制御回路CONT-2の指令によりタイマーＴＭによりスイッチＳＷをオフとし、直流給電に切り替えることにより自然エネルギーおよび燃料電池による分散給電を実現できる。
図１２は、図６の実施形態のより具体的な一実施例を示したものである。この図１２の実施例では、電子変圧器を三巻線として各電源と負荷とを絶縁し、さらに商用交流電源Utilityの変動をＰＷＭまたはＰＰＭ制御により安定化することは前述したとおりである。この場合の三巻線電子変圧器３の動作の概要は以下のとおりである。
図１５（ａ）（ｂ）（ｃ）は、各々、三巻線電子変圧器３の動作概要を説明するための波形図である。図１５（ａ）において左側の波形は、入力商用交流電圧がフィルタＦ１を通った後、すなわち三巻線変圧器３の交流入力側端子電圧を示す。この入力波形がＣ１，Ｃ２，Ｓ１，Ｓ２からなるハーフ・ブリッジ回路によって図１５（ａ）の中央部に示したように高周波リング変調され、高周波変圧器ＨＦＴの一次巻線Ｎ１に加えられる。今、二次巻線Ｎ２の巻数が一次巻線Ｎ１の巻数と同じ場合にはＳ３，Ｓ４，Ｃ３，Ｃ４によって構成されるハーフ・ブリッジ（この場合は倍電圧回路として動作）によって二次巻線Ｎ２に発生する電圧の２倍の電圧が復調される。この場合のスイッチの駆動タイミングは、Ｓ１とＳ３，Ｓ２とＳ４が同一タイミングで駆動されているものとする。すなわち、高周波変復調技術によって、復調側には原信号である正弦波交流波形がそのまま再現され、高周波変調によって変圧器のみが小型、軽量化され、商用変圧器に比べて効率も向上する。このとき、巻線Ｎ３，Ｎ４に発生する高周波交流をダイオードＤ５，Ｄ６によって整流し、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータConvによって蓄電池Ｂの充電を併行して行なえることは言うまでもない。
次に、商用交流電源Utilityの停電時または蓄電池Ｂの満充電時には高周波変圧器ＨＦＴの巻線Ｎ３，Ｎ４と半導体スイッチＳ５，Ｓ６とによってプッシュ・プルのインバータ回路により高周波の矩形波信号が発生するが、このときＳ３，Ｓ４によって巻線Ｎ２に発生した矩形波電圧は倍電圧回路によって２倍の電圧値をもつ直流となり、交・直流両用負荷Ｌac/dcに直流電力を供給する。すなわち、高周波変復調によって動作する電子変圧器は交、直流を問わず電圧を変換することが可能なのである。
図１５（ｂ）は、直流入力が巻線Ｎ３，Ｎ４に加わる場合の高周波変圧器ＨＦＴの電圧を中央部に例示したものである。図１５（ｃ）は、二次巻線側のＳ３，Ｓ４スイッチに公知のＰＷＭ制御を行って負荷側の電圧を調整する場合の一例を示したものである。交流変復調の場合を例示したが、直流入力の場合も全く同様に制御可能であることは言うまでもない。
なお、負荷の一部として燃料電池ＦＣ用の圧縮燃料Fuel（主として水素）を軽負荷時に圧縮機ＣＯＭＰにより作成し貯蔵しておくことにより、自家発電用および電動車両用等に使えば、蓄電池容量の低減化と負荷変動の平準化やクリーン・エンジン化時代に備えた環境改善にも役立つ。
［参考例］
図１３および図１４は、各々、図７および図８の参考実施形態のより具体的な参考例を示したものであり、図１１，図１２における交・直流両用負荷Ｌac/dcの制約をなくして交流専用の既存設備との整合性を重視し、同時に、直流源から電子変圧器を通して商用交流電源Utility側に逆潮流をも可能にしたものであり、図１３は蓄電池Ｂ側のみの二巻線電子変圧器４を介して商用交流電源Utilityおよび交流専用負荷Ｌacに接続した場合のものであり、図１４は三巻線電子変圧器５を介して直流電力源ＷＴＧ，ＰＶ，ＦＣおよび蓄電池Ｂと商用交流電源Utilityと交流専用負荷Ｌacとを相互に絶縁して接続した場合のものである。
図１１，図１２と比較した大きな相違点は、単方向半導体スイッチＳ５，Ｓ６が充・放電時いずれも動作している点にある。また、図９，図１０に示したように双方向ＤＣ―ＤＣコンバータConvにおいて、蓄電池電圧と２相半波または単相全波整流出力６を正・逆双方向に変換し、単方向半導体スイッチＳ５，Ｓ６において交流変調または復調変換を行って、二巻線電子変圧器４・三巻線電子変圧器５内では、常に交流変調成分のみで動作させている。このことによって、交流専用負荷側には交流給電・直流給電を問わず、常に交流出力を取り出すことができる。
この動作を実現するために、たとえば図１６（ａ）（ｂ）に例示したように三巻線電子変圧器５のスイッチＳ１〜Ｓ６の駆動パルス位相を商用交流電源Utilityの正の半サイクルと負の半サイクルの期間、交互に逆転することにより、ｖ1とｖ2は常に交流正弦波形で動作し、直流回路のｖ3端子には常に単相全波または２層半波の直流入出力が発生しながら、三巻線電子変圧器５の磁束の変化は常に前述の図１５（ａ）に例示した交流変調動作を行わせることができる。
図１３の二巻線変圧器４の場合には、図１６の例でＮ１がない場合に相当し、他の動作は全く同じであることは言うまでもない。
いずれにしても二巻線電子変圧器４、三巻線電子変圧器５の２組または３組の入出力端子間で電力エネルギーの双方向伝送が直流から数１００ヘルツの交流まで可能である点が商用電源電圧器と大きく異なる点であり、このことが本願発明のシステム構成の基本特徴となっている。
さらに、もう一つの特徴は、商用交流電源Utilityの停電がない限り、蓄電池側から二
巻線電子変圧器４・三巻線電子変圧器５を通して商用交流電源側へ逆潮流を行うことが可能になる。なお、この場合、停電時のインバータ動作用発振器を内蔵することは言うまでもない。
もちろん、この出願の発明は以上の実施形態および実施例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能である。
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、変動要因の大きい自然エネルギー系電力と深夜電力や燃料電池等の安定電力とを組み合わせて、ほぼ１００％に近い使用率で共通に利用される電子変圧器を介して負荷に安定電力を供給し、システム全体の価格・性能比率を高め、分散給電の普及促進と省エネルギー化を図ることのできる、新しい分散給電システムが提供される。
低圧配電系において交・直流エネルギー源を分散給電システムに使用する場 合における従来の家電機器の交・直流給電の適合性の可否を分類した図である。 低圧配電系において交・直流エネルギー源を直接負荷に供給する場合におけ る太陽光発電と風力発電の従来例を示した図である。 この出願の発明に従って給電系と交・直流両用負荷とを接続した場合の一例 を説明するための図である。 この出願の発明の一実施形態を示した図である。 この出願の発明の別の一実施形態を示した図である。 この出願の発明のさらに別の一実施形態を示した図である。 この出願の発明の参考実施形態を示した図である。 この出願の発明のさらに別の参考実施形態を示した図である。 図７の参考実施形態における双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を説明する ための図である。 図７の参考実施形態における双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を説明す るための図である。 この出願の発明の一実施例を示した図である。 この出願の発明の別の一実施例を示した図である。 この出願の発明の参考例を示した図である。 この出願の発明の別の参考例を示した図である。 三巻線電子変圧器の動作概要を説明するための図である。 三巻線電子変圧器の直流変換動作原理を説明するための図である。
符号の説明
Ｌac/dc 交・直流両用負荷
Ｌac 交流専用負荷
Utility 商用交流電源
ＷＴＧ 風車発電装置
ＰＶ 太陽光発電装置
ＦＣ 燃料電池
Ｂ 蓄電池
Conv 双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ
Ｓ７，Ｓ８ 単方向半導体スイッチ
Ｄ７，Ｄ８ ダイオード
Ｃ５，Ｃ６ コンデンサ
ＣＨ チョーク・コイル
１ 充電器ＣＨＧ
２ 二巻線電子変圧器
２ａ，２ｂ 双方向入出力端子
ＨＦＴ 高周波変圧器
Ｎ２〜Ｎ４ 巻線
Ｆ２ フィルタ
ＳＷ２，ＳＷ３ 変復調半導体スイッチ
Ｓ３，Ｓ４ 双方向半導体スイッチ
Ｓ５，Ｓ６ 単方向半導体スイッチ
Ｄ５，Ｄ６ ダイオード
Ｃ３，Ｃ４ コンデンサ
３ 三巻線電子変圧器
３ａ，３ｂ，３ｃ 双方向入出力端子
ＨＦＴ 高周波変圧器
Ｎ１〜Ｎ４ 巻線
Ｆ１，Ｆ２ フィルタ
ＳＷ１〜ＳＷ３ 変復調半導体スイッチ
Ｓ１〜Ｓ４ 双方向半導体スイッチ
Ｓ５，Ｓ６ 単方向半導体スイッチ
Ｄ５，Ｄ６ ダイオード
Ｃ１〜Ｃ４ コンデンサ
４ 二巻線電子変圧器
４ａ，４ｂ 双方向入出力端子
ＨＦＴ 高周波変圧器
Ｎ２〜Ｎ４ 巻線
Ｆ２ フィルタ
ＳＷ２，ＳＷ３ 変復調半導体スイッチ
Ｓ３，Ｓ４ 双方向半導体スイッチ
Ｓ５，Ｓ６ 単方向半導体スイッチ
Ｄ５，Ｄ６ ダイオード
Ｃ３，Ｃ４ コンデンサ
５ 三巻線電子変圧器
５ａ，５ｂ，５ｃ 双方向入出力端子
ＨＦＴ 高周波変圧器
Ｎ１〜Ｎ４ 巻線
Ｆ１，Ｆ２ フィルタ
ＳＷ１〜ＳＷ３ 変復調半導体スイッチ
Ｓ１〜Ｓ４ 双方向半導体スイッチ
Ｓ５，Ｓ６ 単方向半導体スイッチ
Ｄ５，Ｄ６ ダイオード
Ｃ１〜Ｃ４ コンデンサ
６ 単相全波または２相半波の直流出力電圧
Ｄ１〜Ｄ４ ダイオード
ＳＷ スイッチ
ＲＬ 交流リレー
ＣＴ１，ＣＴ２，ＣＴ３ 交流リレー接点
ＴＭ タイマー
ＣＯＮＴ−１ 風力発電制御装置
ＣＯＮＴ−２ 分散給電制御装置
Ｔ 端子板
ＣＯＭＰ 圧縮機
Ｆｕｅｌ 燃料電池用燃料
ＡＣ 交流
ＤＣ 直流
Ic 充電電流
I INV インバータ電流
ＩＢ 蓄電池電流
ＥＢ 蓄電池電圧

Claims (4)

  1. 風力発電装置、太陽光発電装置および燃料電池のうちの少なくとも１つと、蓄電池と、商用交流電源とを用いて、交・直流両用負荷への分散給電を行う分散給電システムであって、
    風力発電装置、太陽光発電装置および燃料電池は各々の定格電力電圧が蓄電池の定格電圧に統一された直流電力源となっており、
    蓄電池が当該直流電力源により満充電に達するまでは商用交流電源からの交流電力を交・直流両用負荷へ供給し、
    蓄電池の満充電時には当該蓄電池からの直流電力を交・直流両用負荷へ供給し、
    蓄電池の放電終期に近づくと商用交流電源からの交流電力を交・直流両用負荷へ供給するようになっていることを特徴とする分散給電システム。
  2. 風力発電装置、太陽光発電装置および燃料電池のうちの少なくとも１つと、蓄電池と、商用交流電源とを用いて、二巻線電子変圧器を経由してもしくは経由しないで交・直流両用負荷への分散給電を行う分散給電システムであって、
    風力発電装置、太陽光発電装置および燃料電池は各々の定格電力電圧が蓄電池の定格電圧に統一された直流電力源となっており、
    二巻線電子変圧器は交・直流両用で２つの双方向入出力端子を有しており、
    当該二巻線電子変圧器の一方の双方向入出力端子は直流電力源の出力側に接続され、他方の双方向入出力端子は商用交流電源と交・直流両用負荷との間をＴ字型に接続しており、
    蓄電池が直流電力源により満充電に達するまでは商用交流電源からの交流電力を二巻線電子変圧器を経由しないで交・直流両用負荷へ供給し、
    蓄電池の満充電時もしくは商用交流電源の停電時には直流電力源および蓄電池からの直流電力を二巻線電子変圧器を経由して交・直流両用負荷へ供給し、
    蓄電池の放電進行時には燃料電池から電力補給を行い、
    夜間・深夜電力供給時間帯には商用交流電源からの交流電力を交・直流両用負荷へ供給するとともに、二巻線電子変圧器の有する双方向性と交・直流変換機能とにより蓄電池の充電を行うようになっていることを特徴とする分散給電システム。
  3. 風力発電装置、太陽光発電装置および燃料電池のうちの少なくとも１つと、蓄電池と、商用交流電源とを用いて、三巻線電子変圧器を経由して交・直流両用負荷への分散給電を行う分散給電システムであって、
    風力発電装置、太陽光発電装置および燃料電池は各々の定格電力電圧が蓄電池の定格電圧に統一された直流電力源となっており、
    三巻線電子変圧器は交・直流両用で３つの双方向入出力端子を有しており、
    直流電力源および蓄電池と商用交流電源と交・直流両用負荷とは当該三巻線電子変圧器によって相互に絶縁して接続されており、
    蓄電池が直流電力源により満充電に達するまでは商用交流電源からの交流電力を三巻線電子変圧器を経由して交・直流両用負荷へ供給し、
    蓄電池の満充電時もしくは商用交流電源の停電時には直流電力源および蓄電池からの直流電力を三巻線電子変圧器を経由して交・直流両用負荷へ供給し、
    蓄電池の放電進行時には燃料電池から電力補給を行い、
    夜間・深夜電力供給時間帯には商用交流電源からの交流電力を交・直流両用負荷へ供給するとともに、三巻線電子変圧器の有する双方向性と交・直流変換機能とにより蓄電池の充電を行うようになっていることを特徴とする分散給電システム。
  4. 燃料電池用圧縮水素の貯蔵が可能となっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の分散給電システム。
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