JP4347277B2

JP4347277B2 - 電力バッファ装置システム

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Publication number: JP4347277B2
Application number: JP2005242689A
Authority: JP
Inventors: 憲朗光田; 郁朗菅; 明彦岩田; 智有本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-08-24
Filing date: 2005-08-24
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2025-08-24
Also published as: JP2007060796A

Description

この発明は、無停電電源機能と負荷平準化機能とを有する電力バッファ装置システムに関する。

従来、夜間に二次電池に貯蔵されている電力を昼間の電力需要ピーク時に放電することにより、電力系統における発電電力の昼夜の平準化を行うことによる電力会社のメリットを、電力会社と契約すれば夜間の電力料金は昼間の料金の３分の１以下程度にまで下がるということで、消費者に還元するシステムがある。
また、節電を推奨することを目的として、契約電力が小さいほど電気料金が安くなるシステムが用いられているために、二次電池から一部電力を供給することにより使用電力のピークをカットして、契約電力を低く保つピークカット運転も行われている。
そして、ピークカット運転と負荷平準化運転の両方を行う電力ピークカット電源装置が提案されている。しかし、二次電池に急速な充放電を繰り返すと二次電池の寿命を著しく損なうことになり、二次電池の頻繁な交換が必要になる。二次電池で急速充放電する場合の可能な充放電回数は１０００回程度と言われている。充放電深度１０％程度にまで浅くすれば、１万回近くの充放電寿命を確保できる（例えば、特許文献１参照）。
そこで、二次電池ではなく、電気二重層キャパシタを用いて充放電を行って系統連携を安定化させる出力安定化装置が提案されている。電気二重層キャパシタの充放電寿命は１０万回以上、寿命も１０年以上と言われている（例えば、特許文献２参照）。

また、近年、家庭用やビル用の太陽電池の利用が広まり、深夜電力を貯蔵して無停電電源とすると共に、昼間時間帯に放電し、太陽光発電の電力変換や電力貯蔵に利用するシステムが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
この他にも、深夜電力貯蔵と太陽電池の電力貯蔵を兼ねたハイブリッド電源システムが開示されている（例えば、特許文献４参照）。

特開２００２−２７１９９４号公報特開２００４−２８２８７２号公報特開２００２−３１５２３１号公報特開２００１−１７７９９５号公報

しかし、従来の深夜電力を利用する電力貯蔵システムにおいて、二次電池を用いた場合、充放電深度を浅くして充放電寿命の劣化を遅らせるために必要な放電電力量の１０倍の電池容量の二次電池を備える必要があるという問題がある。
また、電気二重層キャパシタを用いた場合、電気二重層キャパシタの重量当たりのエネルギー密度が二次電池のそれに比べて１０分の１程度と低く、二次電池の１０倍近い重量の電気二重層キャパシタを備える必要があるという問題がある。
また、太陽電池や風力発電機と無停電電源とを組み合わせた従来の電力貯蔵システムは、無停電電源としての利用が主なので、二次電池の充電状態は、満充電に近い状態に維持され、負荷平準化にほとんど寄与できないという問題がある。
また、充電深度を浅くして二次電池の寿命を長くするために４つの充放電変換器を組み込むなど高コストのシステムであるという問題がある。

この発明の目的は、負荷平準化機能および無停電電源機能とを併せ持つとともに、電力貯蔵装置の充放電寿命の劣化が遅れる電力バッファ装置システムを提供することである。

この発明に係わる電力バッファ装置システムは、商用系統と直流母線との間で電力の交流直流変換する交直変換装置および上記直流母線と負荷との間で電力の直流交流変換するインバータを備える電力バッファ装置システムにおいて、第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して上記直流母線に接続される瞬発力型電力バッファと、上記瞬発力型電力バッファに対して並列に第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して上記直流母線に接続される持続力型電力バッファと、上記第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータおよび第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御装置と、を備え、上記制御装置は、上記負荷が急激に変化するとき変化分を上記瞬発力型電力バッファに入出力するとともに、上記商用系統と上記交直変換装置の間に設置される停電検出回路およびリレーを備え、上記停電検出回路からの停電検出信号により上記リレーが開かれ、上記制御装置は、上記停電検出信号を受信してから所定の時間経過後上記インバータから出力される交流電力の電圧が定格電圧の８０％以下になるように上記インバータを制御する。

この発明に係わる電力バッファ装置システムの効果は、瞬発力型電力バッファにより負荷の急激な変化に対応することにより、持続力型電力バッファでの急激な充放電が避けられるので、持続力型電力バッファの充放電寿命の劣化が少なくすることができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わる電力バッファ装置システムの全体構成を示す模式図である。図２は、実施の形態１に係わる制御装置の機能ブロック図である。
この発明の実施の形態１に係わる電力バッファ装置システム１は、商用系統２の交流電力を受電して常用インバータ給電方式により通常負荷３および非常用負荷４に給電するシステムである。ここでの通常負荷３は、商用系統２が停電したとき動作を中断することが許容されている負荷である。そして、この通常負荷３は、電圧低下補償値が１５％程度であり、２０％を超えて電圧が低下すると動作が中断し、電力を消費しなくなる。

一方、ここでの非常用負荷４は、商用系統２が停電したとき動作を中断することが許されない負荷であり、例えば、セキュリティ関係、コンピュータ関係、重要な照明やエレベータなどの負荷である。そのために非常用負荷４には給電される電圧が低いときに電圧を昇圧する昇圧機能を有し、低い電圧、例えば７０Ｖが給電されても昇圧されて動作が継続する。なお、電圧７０Ｖの交流電力を非常用負荷４に給電するとして説明するが、通常負荷３は電圧が８０Ｖ以下のとき動作が中断するので、商用系統２が停電したとき少なくとも電圧を８０Ｖ以下に変えることにより非常用負荷４だけの動作を継続することができる。

実施の形態１に係わる電力バッファ装置システム１は、商用系統２の交流電力を直流電力に一旦変換してから再度所望の交流電力に変換して通常負荷３および非常用負荷４に給電する常時インバータ給電部１０、通常負荷３および非常用負荷４における瞬間的な負荷変動に対応するために瞬間的な充放電が可能な瞬発力型電力バッファ１１、負荷平準化機能および無停電電源機能のために大量の電力の貯蔵が可能な持続力型電力バッファ１２、常時インバータ給電部１０の直流母線１３と瞬発力型電力バッファ１１との間で電力変換する第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４、常時インバータ給電部１０の直流母線１３と持続力型電力バッファ１２との間で電力変換する第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５、システムの全体を制御する制御装置１６を備えている。
また、電力バッファ装置システム１は、商用系統２と常時インバータ給電部１０との間に商用系統２に発生する停電を検出する停電検出回路８と停電が検出されたとき常時インバータ給電部１０を商用系統２から解列する両切りのリレー９が介接されている。

常時インバータ給電部１０は、商用系統２と直流母線１３との間で双方向に電力変換する交直変換装置１８、変換された直流電力を直流送電する直流母線１３、直流母線１３から入力される直流電力を所定の交流電力に変換するインバータ１９を備える。

瞬発力型電力バッファ１１は、重量当たりの単位時間充放電可能な電力（以下、パワー密度と称す。）が大きいが重量当たりのエネルギー密度（以下、重量エネルギー密度と称す。）が小さい電力貯蔵装置であり、例えば、電気二重層キャパシタ、電解コンデンサ、セラミックコンデンサ、フィルムコンデンサである。これらに貯えられている電力量Ｗは、静電容量Ｃと端子電圧ＶからＷ＝１／２ＣＶ^２で表され、電圧Ｖ＝０Ｖのとき充電電力量０％、電圧Ｖ＝定格電圧のとき充電電力量１００％になる。そして、充電電力量０％と充電電力量１００％との間で充放電を繰り返すことを、充放電深度１００％での充放電と称す。そして、この瞬発力型電力バッファ１１は、充放電深度１００％での充放電を繰り返したときに見られる静電容量Ｃの減少が小さく、貯えられる電力量の減少が小さい。この貯えられる電力量の減少が所定の割合、例えば２０％減少したとき充放電寿命に達したと称す。

そして、上述の電力貯蔵装置の中でも、重量エネルギー密度の高い電気二重層キャパシタが望ましく、充放電深度１００％での１０万回以上の充放電寿命や４０℃での１０万時間以上の寿命を有していて、他の電力貯蔵装置の中では最も高い重量エネルギー密度を有する電解コンデンサの１００倍近い重量エネルギー密度を有している。しかも、主構成材料は、カーボンとアルミで、安価で環境にやさしい材料である。

持続力型電力バッファ１２は、重量エネルギー密度が大きいがパワー密度が小さい電力貯蔵装置であり、例えば、鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ＮａＳ電池、ニッケル水素電池などの二次電池である。これら二次電池には貯蔵することのできる最大の貯蔵電力量が定められている。第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５により充放電電力が制限されているので、充放電寿命の劣化を遅らせることができる。
なお、持続力型電力バッファ１２として持続力型の電気二重層キャパシタを用いることもできる。同じ材料の電気二重層キャパシタであっても電極（正極および負極）の厚さによって瞬発力型も持続力型も構成することができる。

一般に、０．１ｍｍ以下の電極厚さであれば、電気抵抗が小さく、１０秒以内の瞬時に充放電を行っても、高い効率で充放電を行うことができる。ただし、重量エネルギー密度が小さいので、多くのエネルギーを貯めることができない。このような瞬発力型の電気二重層キャパシタとしては、静電容量Ｃと内部抵抗Ｒの積ＣＲが２ΩＦ以下のものが望ましく、１分位の充放電で９５％以上のエネルギー変換効率が保たれる。
逆に０．４ｍｍ以上の電極厚さであれば、電気抵抗は高くなって、瞬時に高い効率での充放電はできないが、重量エネルギー密度が大きいので、数十分に亘って高い充放電効率で多くのエネルギーを貯めることができる。このような持続力型の電気二重層キャパシタとしては、静電容量Ｃと内部抵抗Ｒの積ＣＲが２００ΩＦ以上のものが望ましく、１００分位掛かって充放電を行えば９５％以上のエネルギー変換効率が保たれる。カーボンの材料を従来の活性炭ではなくナノゲートカーボンを用いることで、鉛蓄電池やニッケル水素電池に劣らない重量エネルギー密度が得られる。

第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、瞬発力型電力バッファ１１の充電電力量を充電容量の５０％前後に保ち、５０％を超えると、貯えられている電力を持続力型電力バッファ１２または直流母線１３に放電する。また、５０％を下回ると、電力を持続力型電力バッファ１２または直流母線１３から補充する。このように瞬発力型電力バッファの充電電力量を充電容量の５０％前後に維持しておくと急激に負荷が増減しても充分に変化分を吸収することができる。

制御装置１６は、図２に示すように、タイマー２１を有しており、タイマー２１により計時された時刻に基づいて電気料金の安い深夜の時間帯に交直変換装置１８および第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５を制御して系統電力を持続力型電力バッファ１２に一定の所定の電流で充電し、使用電力が急激に上昇する朝の時間帯に交直変換装置１８および第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５を制御して持続力型電力バッファ１２から一定の所定の電流で放電して商用系統２に買電する負荷平準化部２２を有している。
また、制御装置１６は、通常負荷３および非常用負荷４の負荷が急激に変化したとき第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を制御して瞬発力型電力バッファ１１に変化分を充放電することにより直流母線１３での電圧の変化を緩和する急激負荷変動緩和部２３を有している。

また、制御装置１６は、停電検出回路８により商用系統２の停電が検出されたとき、持続力型電力バッファ１２から第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５により直流母線１３に直流電力を放電し、インバータ１９を制御してその直流電力を電圧が１００Ｖの交流電力に変換して通常負荷３および非常用負荷４に給電する。そして、所定の時限の経過後、この場合１０秒後インバータ１９を制御してその直流電力を電圧が７０Ｖの交流電力に変換して非常用負荷４に給電する無停電電源部２４を有している。

このように商用系統２が停電したときインバータ１９からの交流電圧が７０Ｖにまで下げられるので、通常負荷３では電力は消費されずに、７０Ｖで動作可能な非常用負荷４だけで消費される。従って、持続力型電力バッファ１２から放電される電力は少なくてすみ、その分長く電力を供給できる。そして非常用負荷４が停電時も長く使用することが可能になり、避難や、自家発電の起動などの時間を確保することができる。なお、どの機器を非常用負荷４にするかは、電力バッファ装置システム１が家庭用、ビル用または工場用など用途によって異なる。
このように商用系統２が停電したときに持続力型電力バッファ１２から放電するために、持続力型電力バッファ１２には常に所定の時間に亘って非常用負荷４に供給できるだけの無停電用電力量が貯えられている。

図３は、商用系統２が正常時および停電時での電力バッファ装置システム１により制御された電力の流れを示す模式図である。図３の上から順に、瞬発力型電力バッファ１１、通常負荷３、非常用負荷４、持続力型電力バッファ１２、商用系統２の電力線を示しており、これらを結ぶ矢印が電力の流れる方向を示す。
商用系統２の正常時では、商用系統２から常時インバータ給電部１０により通常負荷３および非常用負荷４に給電される。また、通常負荷３および非常用負荷４において発生する急激な負荷変動分は瞬発力型電力バッファ１１に入出力される。従って、商用系統２との受電点での電力供給量は、短時間での変化が小さくなり、商用系統２の運用者である電力会社にとってメリットになる。

商用系統２の停電時では、停電検出から１０秒経過までの間、商用系統２は常時インバータ給電部１０から解列され、持続力型電力バッファ１２により直流母線１３が充電され、インバータ１９の電圧は１００Ｖに維持されるので、持続力型電力バッファ１２から通常負荷３および非常用負荷４に給電される。商用系統２における瞬低は通常１秒以内に復帰することが多いし、１０秒以下の停電は自動的に復帰する場合もありうるので、このようにインバータ１９から電圧１００Ｖの電力が１０秒間供給されると、消費者は、瞬低や停電があったことを認識しない。このように電圧の低下が瞬間的なときには通常負荷３も動作を継続するので、瞬低対策機能を有している

商用系統２の停電が１０秒を超えて継続したとき、インバータ１９の電圧が７０Ｖに低下されるので、持続力型電力バッファ１２から非常用負荷４だけに給電される。また、非常用負荷４における急激な負荷変動分は瞬発力型電力バッファ１１に入出力される。このように、インバータ１９を７０Ｖ出力に変更することで、１０秒を超える停電の場合に避難などに必要な電力を確保することが可能になる。これは、持続力型電力バッファ１２の電力消費が少なくなるためで、非常用負荷４以外の通常負荷３の動作が停止することで、ユーザは、停電をすぐに復帰することのできない停電であることを認識し、避難や懐中電灯、ろうそくとマッチの手配、電話連絡などに必要な時間を確保することができる。

なお、停電検出回路８および両切りのリレー９を省略した場合には、通常負荷３がすべて動作を継続し、電力を消費しているので、ユーザは停電を全く気が付かないかわりに、持続力型電力バッファ１２の貯蔵電力がすぐに尽きてしまって、本当の停電になってしまうという問題がある。

図４は、深夜時間帯および朝の時間帯での電力バッファ装置システム１により制御される電力の流れを示す模式図である。
商用系統２が正常で深夜時間帯では、商用系統２から常時インバータ給電部１０により通常負荷３および非常用負荷４に給電される。また、常時インバータ給電部１０の直流母線１３から持続力型電力バッファ１２に一定の所定の電流で充電される。また、通常負荷３および非常用負荷４における急激な負荷変動分は瞬発力型電力バッファ１１に入出力される。この深夜時間帯は、電気料金が昼間料金より安い深夜料金が設定されている午前１時から午前５時までの４時間である。

商用系統２が正常で朝の時間帯では、持続力型電力バッファ１２から第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５により直流母線１３に一定の所定の電流で放電される。そして、持続力型電力バッファ１２から放電される電力が通常負荷３および非常用負荷４に給電される電力より大きいとき、交直変換装置１８により商用系統２に逆潮流される。また、通常負荷３および非常用負荷４における急激な負荷変動分は瞬発力型電力バッファ１１に入出力される。この朝の時間帯は、電力消費量が急激に上昇する午前７時から午前９時までの２時間であり、火力発電を稼働させて対応する時間帯である。

このように深夜時間帯で貯蔵した電力を電力需要が急激に増加する朝の時間帯に放出することにより、電力需要が増加する傾きが緩やかになり、火力発電での発電量の増加を電力需要の増加に合わすことが容易になる。火力発電での発電量が電力需要に間に合わないと、広域停電に至る恐れがあるが、持続力型電力バッファ１２からの放電により緩和されるので、電力会社もメリットがある。

図５は、実施の形態１に係わる電力バッファ装置システム１の各部における電力の１日に亘る変化を示す図である。
図５の電力会社の発電量は、全国平均を表しており、夏が最も大きくなるものの、１日における傾向の四季の変化はほとんど無い。早朝５時ごろ発電量は最も小さくなっており、次に、朝急激に電力需要が高まる朝の時間帯４４があり、第１回目の発電量のピークの時間帯４６が正午前に、第２回目の発電量のピークの時間帯５０が午後２時ごろに現れる。正午から午後２時までは昼休みということで消費電力が一時的に減少する昼の時間帯４９となっている。原子力発電所の出力を頻繁に増減することはできないので、ピーク時の発電量の４０％位の電力を原子力発電が分担し、残りを主に火力発電で賄っている。
発電量のピークの時間帯４６、５０だけではなく、急激な電力需要の増大する朝の時間帯４４も電力会社にとって頭の痛い問題になっている。なぜならば、この急激な電力需要の増加に合わせて火力発電量を増加しなければならないからである。

図５の負荷は、家庭やビルでの消費電力のことで、太陽光発電システムを備えない一般家庭での電力を消費するパターンを示している。起床とともに、照明、テレビ、エアコンをつけ、電子レンジ、掃除機や洗濯機を使うので、急速に負荷が大きくなる。正午近くにも、昼食の用意やテレビ、エアコンなどで消費電力が大きくなる。また、家族が揃う夕方以降で消費電力がピークに達した後、就寝と共に、消費電力が急速に減少する。家電品の使用状況によって、負荷には秒単位や分単位での急激な変化が生じる。

持続力型電力バッファ１２に、深夜電力分を深夜電力料金（昼間の３分の１以下）が設定されている深夜１時から５時までの４時間の間に時間をかけて充電する。使用する二次電池の種類にもよるが、１時間程度での急速放電は可能であるが、急速充電は充放電寿命を劣化するので、１００％の充放電では２時間以上の時間を掛けて行うのが一般的である。
深夜電力を利用して貯蔵された電力は、午前７時から午前９時までの２時間で直流母線１３に一定電流で放電され、通常負荷３および非常用負荷４に給電するとともに余った電力は商用系統２に逆潮流される。このようにすることにより、急激な電力需要の増加を緩和することができる。例えば、百万件の家庭が、１ｋＷｈの電力を放電するとすれば、その電力の総量は百万ｋＷｈに達し、これが毎日繰り返されるので、これをあてにして火力発電の量を削減することができる。すなわち、電力会社など電力供給側にとって昼間の電力料金で買い取るだけの価値が生じる。無停電用電力量が貯えられた持続力型電力バッファ１２は、商用系統２の停電時に備えるととともに、次の日の深夜１時になれば再度、夜間電力が満充電になるように貯蔵される。

このようにユーザが深夜電力を持続力型電力バッファ１２に充電するので、一般の電力需要が減少する時間帯に電力需要が増加し、商用系統２の安定化を期することができるという電力会社側のメリットがある。
さらに、電力会社に電力を売る時間帯が午前７時から午前９時までの２時間の時間帯であるので、ユーザは深夜電力と昼間の電力の料金差をメリットとして得ることになる。

瞬発力型電力バッファ１１は、通常負荷３と非常用負荷４の秒単位や分単位での急激な変化を吸収するので、商用系統２に急激な変化が伝わらないという電力会社側の大きなメリットがある。また、持続力型電力バッファ１２の充放電が緩やかになって充放電寿命の劣化が少なくなるというユーザにとってもメリットがある。

実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２に係わる電力バッファ装置システムの全体構成を示す模式図である。図７は、実施の形態２に係わる制御装置の機能ブロック図である。
この発明の実施の形態２に係わる電力バッファ装置システム１Ｂは、実施の形態１に係わる電力バッファ装置システム１に太陽電池３０により発電される電力（以下、太陽光発電電力と称す。）に対応する機能を追加したことが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態２に係わる電力バッファ装置システム１Ｂでは、図６に示すように、常時インバータ給電部１０の直流母線１３が第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４および第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５とリレー回路３１を介して接続されている。このリレー回路３１は、太陽光発電電力を持続力型電力バッファ１２に充電するときに開かれ、商用系統２から持続力型電力バッファ１２に充電するときおよび持続力型電力バッファ１２から直流母線１３に放電するとき閉じられる。
また、電力バッファ装置システム１Ｂでは、太陽電池３０と第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５との間に介接されるようにダイオード３２が備えられる。

実施の形態２に係わる制御装置１６Ｂは、図７に示すように、所定の時間帯にリレー回路３１を開いて太陽光発電電力を持続力型電力バッファ１２に充電し、所定の時間帯にリレー回路３１を閉じて交直変換装置１８および第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５を制御して持続力型電力バッファ１２から一定の所定の電流で直流母線１３に放電して商用系統２に逆潮流する太陽光発電処理部３４を有する。

持続力型電力バッファ１２に充電された太陽光電力を商用系統２に一定の所定の電流で放電する時間帯は、午前もしくは午後の商用系統２の発電量がピークになる時間帯である。具体的には、図１０に示すように、第１回目のピークの時間帯４６は午前１１時から正午までの１時間であり、第２回目のピークの時間帯５０は午後２時から午後３時までの１時間である。
一方、太陽光発電電力を持続力型電力バッファ１２に充電する時間帯は、放電時間帯の直前までの時間帯で、具体的には、第１回目のピークの時間帯４６に対しては、午前９時から午前１１時までの２時間であり、第２回目のピークの時間帯５０に対しては、正午から午後２時までの２時間である。

また、急激負荷変動緩和部２３Ｂは、リレー回路３１が開いているとき、太陽光発電電力が急激に変化したとき第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を制御して瞬発力型電力バッファ１１に変化分を充放電して第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５に加わる太陽光電力の変化を緩和する。
また、急激負荷変動緩和部２３Ｂは、リレー回路３１が閉じているとき、通常負荷３および非常用負荷４が急激に変化したとき第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を制御して瞬発力型電力バッファ１１に変化分を充放電するとともに、太陽光発電電力が急激に変化したとき第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を制御して瞬発力型電力バッファ１１に変化分を充放電することにより直流母線１３での変化を緩和する。

図８は、太陽光発電電力を充電するときと持続力型電力バッファ１２に貯蔵された太陽光発電電力を放電するときの実施の形態２に係わる電力バッファ装置システム１Ｂにより制御された電力の流れを示す模式図である。
太陽光発電電力を持続力型電力バッファ１２に充電するとき、第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを直流母線１３から解列してから行い、瞬発力型電力バッファ１１で太陽光発電電力の急激な変化を緩和する。この間、太陽光発電電力はすべて持続力型電力バッファ１２に貯蔵され、商用系統２には供給されない。従って、雲に隠れていた太陽が出てきて急激に発電量が増しても、商用系統２に高調波成分が影響する心配がない。また、太陽光発電電力はひたすら貯蔵され、太陽光発電電力の変動は、瞬発力型電力バッファ１１で吸収されるので、持続力型電力バッファ１２の充放電寿命が維持される。すなわち、従来であれば、充放電の繰り返しによって３年ごとに交換が必要であった電力貯蔵装置の寿命を最大２倍まで引き延ばすことができる。また、持続力型電力バッファ１２を二次電池ではなく、持続力型の電気二重層キャパシタにすればさらに寿命を延ばすことが可能になる。

図９は、太陽光発電電力を充電しているとき商用系統が停電した場合の実施の形態２に係わる電力バッファ装置システム１Ｂにより制御された電力の流れを示す模式図である。
太陽光発電電力を持続力型電力バッファ１２に充電しているときリレー回路３１が開いているので、商用系統２の停電が検出されると、リレー９が開かれ、リレー回路３１が閉じられる。そして、実施の形態１の場合と同様に、１０秒間、インバータ１９から電圧１００Ｖの交流電力が出力されて通常負荷３および非常用負荷４に供給が継続された後、インバータ１９からの交流電力の電圧を７０Ｖに変更することで、１０秒を超える停電の場合に避難などに必要な電力を確保することが可能になる。このとき太陽光発電電力が供給されるので、昼間であれば、かなり長時間にわたって停電時に電力を供給することが可能になる。

図１０は、実施の形態２に係わる電力バッファ装置システム１Ｂによる一日の電力変化である。
図１０の太陽光発電電力量は晴天時のものであるが、天候によって大きく変化し、雲に隠れると発電電力量が急激に低下し、雲から太陽が出ると急激に発電電力量が回復する。すなわち、秒単位や分単位での急激な変化があり、そのまま商用系統２に逆潮流すると高調波成分が悪影響を与えて不具合が生じるおそれがある。また、電力会社など電力供給側がその変化を事前に予測することは不可能に近い。

そこで実施の形態２においては、瞬発力型電力バッファ１１で、通常負荷３や非常用負荷４の秒単位や分単位の急激な変化を吸収すると共に、太陽光発電電力の秒単位や分単位の急激な変化も吸収する。これによって、商用系統２に対する急激な変化の影響が緩和され、電力会社にとって大きなメリットが生じる。また、持続力型電力バッファ１２の充放電が緩やかになって充放電寿命が改善され、ユーザにとってもメリットがある。

無停電用電力量まで放電された持続力型電力バッファ１２では、その後、直流母線１３から分離されながら太陽光発電電力を貯蔵し、貯蔵した太陽光発電電力を、午前１１時から正午までの電力需要の第１回目のピークの時間帯４６で直流母線１３に放電する。電力会社は、午前９時から午前１１時までの電力需要が多くなる時間帯で、太陽光発電電力が商用系統２には流れないので、太陽光発電電力に起因する系統の不安定さを回避することができる。さらに、第１回目のピークの時間帯４６には、持続力型電力バッファ１２に貯蔵された電力が一定の所定の電流で放電されるので、各家庭からの電力供給をあてにすることができる。また、午前９時から午前１１時までの時間帯が固定されていて、各地域の天候を把握できれば発電総量は比較的簡単に予測できるので、これに合わせて火力発電量を削減することができる。

正午から２時までの２時間の時間帯４９は、工場やオフィスビルが昼休みに入るので、照明の節電などもあって電力需要は少し落ち込む。この時間帯４９は太陽電池の効率が最も高くなる時間帯ではあるが、太陽電池３０から商用系統２に直接電力を供給されても、電力会社にはメリットはない。
このようなシステムでは、持続力型電力バッファ１２に太陽光発電電力が貯蔵され、電力需要の第２のピークの時間帯５０である午後２時から午後３時までの１時間で放電されるので、ピーク電力を下げて、火力発電を削減することができる。
また、午前９時から午前１１時までの時間帯と同様に、午後０時から午後２時までの時間帯が固定されているので、天候を把握することによって発電総量を予測することが可能である。従って、電力会社によっては、昼間の電力料金で買い取るだけの価値が生じる。

午後３時から午後６時までの３時間は、実は、太陽が西に傾いても、かなりの電力を発電することができる。但し、この時間帯にそのまま商用系統２に太陽光発電電力を供給しても、電力会社にとってはメリットがない。そこで、この太陽光発電電力を一旦持続力型電力バッファ１２に貯蔵して午後６時以降に負荷に合わせて、持続力型電力バッファ１２から徐々に電力を放出する。ユーザにとっては、商用電力を買電する分が少なくなるというメリットがある。

ユーザが電力会社に電力を売る時間帯は、午前７時から午前９時までの２時間の時間帯４４、午前１１時から正午までの１時間の時間帯４６、午後２時から午後３時までの１時間の時間帯５０の合計４時間が基本である。
また、持続力型電力バッファ１２から直流母線１３に放電するとき太陽光発電電力は直流母線１３に供給されるが、瞬発力型電力バッファ１１で太陽光発電電力の急激な変化が緩和されるので、商用系統２に悪影響を与えない。
また、午後３時から午後６時までの間の太陽光発電電力により、商用系統２からの買電量の削減が望める。

このような電力バッファ装置システム１Ｂは、太陽電池３０に並列にそれぞれ持続力型電力バッファ１２と瞬発力型電力バッファ１１が接続され、太陽光発電電力が持続力型電力バッファ１２に充電されるとともに太陽光発電電力の急激な変化分を瞬発力型電力バッファ１１に充放電することにより持続力型電力バッファ１２に入力される太陽光発電電力の変化が緩和されるので、持続力型電力バッファ１２の充放電寿命の劣化が遅らせることができる。

なお、現在は太陽光発電について、買電価格と売電価格が同一に設定されているものの、太陽電池パネルが増えて、系統電力の不安定化など電力会社にとって好ましくない状況が増えてくれば、当然、電力会社への売電価格が買電価格を下回るようになると推定される。しかしながら、実施の形態２に係わる電力バッファ装置システム１Ｂでは、電力会社のメリットが大きく、ユーザは深夜電力と昼間の電力の料金差を含めてメリットが拡大することになる。

実施の形態３．
図１１は、この発明の実施の形態３に係わる電力バッファ装置システムの全体構成を示す模式図である。図１２は、実施の形態３に係わる制御装置の機能ブロック図である。
この発明の実施の形態３に係わる電力バッファ装置システム１Ｃは、図１１に示すように、実施の形態１に係わる電力バッファ装置システム１に風力発電機３５により発電される電力（以下、風力発電電力と称す。）に対応する機能を追加したことが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態３に係わる電力バッファ装置システム１Ｃでは、風力発電機３５と第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５との間に介接されるようにダイオード３６が備えられる。
なお、実施の形態３に係わる持続力型電力バッファ１２Ｃとして持続力型の電気二重層キャパシタが用いられている。

実施の形態３に係わる制御装置１６Ｃは、図１２に示すように、実施の形態１に係わる制御装置１６に風力発電電力に基づいて持続力型電力バッファ１２Ｃに風力発電電力を充電する風力発電電力処理部３７が追加されたことが異なっており、それ以外は同様であるので同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
風力発電電力処理部３７は、風力発電電力がインバータ１９から出力される電力より小さいときには直流母線１３にそのまま風力発電電力を供給し、風力発電電力がインバータ１９から出力される電力より大きいとき持続力型電力バッファ１２に充電する。
また、急激負荷変動緩和部２３Ｃは、風力発電電力が急激に変化したとき第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を制御して瞬発力型電力バッファ１１に変化分を充放電して第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５に加わる風力発電電力の変化を緩和する。
また、急激負荷変動緩和部２３Ｃは、通常負荷３および非常用負荷４が急激に変化したとき第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を制御して瞬発力型電力バッファ１１に変化分を充放電することにより直流母線１３での変化を緩和する。

図１３は、商用系統２が正常および停電したときのこの発明の実施の形態３に係わる電力バッファ装置システム１Ｃにより制御される電力の流れを示す模式図である。
風力発電の場合も、実施の形態２の太陽光発電の場合と同様に、停電時には、実施の形態１の場合と同様に、１０秒間、電圧が１００Ｖの交流電力の供給が継続された後、停電検出回路８とリレー９を備えているので、インバータ１９からの交流電力の電圧を７０Ｖに変更することで、１０秒を超える停電の場合に避難などに必要な電力を確保することが可能になる。

このような電力バッファ装置システム１Ｃは、風力発電機３５に並列にそれぞれ持続力型電力バッファ１２Ｃと瞬発力型電力バッファ１１が接続され、風力発電電力が持続力型電力バッファ１２Ｃに充電されるとともに風力発電電力の急激な変化分を瞬発力型電力バッファ１１に充放電することにより持続力型電力バッファ１２Ｃに入力される風力発電電力の変化が緩和されるので、持続力型電力バッファ１２Ｃの充放電寿命の劣化が遅らせることができる。

また、持続力型電力バッファ１２Ｃとして持続力型の電気２重層キャパシタを用いているので、より充放電寿命の劣化が遅らせることができる。
さらに風力発電電力が供給されるので、かなり長時間にわたって停電時に電力を供給することが可能になる。
また、夜間の停電時も、風力発電によって必要な照明の電源など、長時間にわたって電力を供給することができる。

この発明の実施の形態１に係わる電力バッファ装置システムの全体構成を示す模式図である。実施の形態１に係わる制御装置の機能ブロック図である。商用系統が正常時および停電時での電力バッファ装置システムにより制御される電力の流れを示す模式図である。深夜時間帯および朝の時間帯での電力バッファ装置システムにより制御される電力の流れを示す模式図である。実施の形態１に係わる電力バッファ装置システムの各部における電力の１日に亘る変化を示す図である。この発明の実施の形態２に係わる電力バッファ装置システムの全体構成を示す模式図である。実施の形態２に係わる制御装置の機能ブロック図である。太陽光発電電力を充電するときと持続力型電力バッファに貯蔵された太陽光発電電力を放電するときの実施の形態２に係わる電力バッファ装置システムにより制御された電力の流れを示す模式図である。太陽光発電電力を充電しているとき商用系統が停電した場合の実施の形態２に係わる電力バッファ装置システムにより制御された電力の流れを示す模式図である。実施の形態２に係わる電力バッファ装置システムの各部における電力の１日に亘る変化を示す図である。この発明の実施の形態３に係わる電力バッファ装置システムの全体構成を示す模式図である。実施の形態３に係わる制御装置の機能ブロック図である。商用系統が正常および停電したときのこの発明の実施の形態３に係わる電力バッファ装置システムにより制御される電力の流れを示す模式図である。

符号の説明

１電力バッファ装置システム、２商用系統、３通常負荷、４非常用負荷、８停電検出回路、９リレー、１０常時インバータ給電部、１１瞬発力型電力バッファ、１２持続力型電力バッファ、１３直流母線、１４、１５双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ、１６制御装置、１８交直変換装置、１９インバータ、２１タイマー、２２負荷平準化部、２３急激負荷変動緩和部、２４無停電電源部、３０太陽電池、３１リレー回路、３２、３６ダイオード、３４太陽光発電処理部、３５風力発電機、３７風力発電電力処理部、４４朝の時間帯、４６第１回目のピークの時間帯、４９昼の時間帯、５０第２回目のピークの時間帯。

Claims

商用系統と直流母線との間で電力の交流直流変換する交直変換装置および上記直流母線と負荷との間で電力の直流交流変換するインバータを備える電力バッファ装置システムにおいて、
第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して上記直流母線に接続される瞬発力型電力バッファと、
上記瞬発力型電力バッファに対して並列に第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して上記直流母線に接続される持続力型電力バッファと、
上記第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータおよび第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御装置と、
を備え、
上記制御装置は、上記負荷が急激に変化するとき変化分を上記瞬発力型電力バッファに入出力するとともに、
上記商用系統と上記交直変換装置の間に設置される停電検出回路およびリレーを備え、
上記停電検出回路からの停電検出信号により上記リレーが開かれ、
上記制御装置は、上記停電検出信号を受信してから所定の時間経過後上記インバータから出力される交流電力の電圧が定格電圧の８０％以下になるように上記インバータを制御することを特徴とする電力バッファ装置システム。
上記インバータは、電圧が定格電圧の８０％以下の交流電力で動作する非常用負荷に対して交流電力を供給することを特徴とする請求項１に記載する電力バッファ装置システム。
上記持続力型電力バッファは二次電池であり、上記瞬発力型電力バッファは電気二重層キャパシタであることを特徴とする請求項１に記載する電力バッファ装置システム。
上記持続力型電力バッファは内部抵抗と静電容量との積が２００ΩＦ以上の電気二重層キャパシタであり、上記瞬発力型電力バッファは内部抵抗と静電容量との積が２ΩＦ以下の電気二重層キャパシタであることを特徴とする請求項１に記載する電力バッファ装置システム。
上記制御装置は、タイマーを備え、
上記第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御して、深夜時間帯には上記直流母線の直流電力を上記持続力型電力バッファに一定の電流で充電し、朝の時間帯には上記持続力型電力バッファから上記直流母線に一定の電流で放電することを特徴とする請求項１に記載する電力バッファ装置システム。
上記持続力型電力バッファおよび上記瞬発力型電力バッファを上記直流母線に対して開閉するリレー回路を備え、
上記持続力型電力バッファと上記瞬発力型電力バッファは、太陽電池に並列に接続され、
上記制御装置は、所定の時間帯に上記リレー回路を開いて上記太陽電池により発電された電力の急激な変化分を上記瞬発力型電力バッファに充放電し、他の所定の時間帯に上記リレー回路を閉じて上記太陽電池により発電された電力の急激な変化分を上記瞬発力型電力バッファに充放電することを特徴とする請求項１に記載する電力バッファ装置システム。
上記制御装置は、上記所定の時間帯に上記リレー回路を開いて上記太陽電池により発電された電力を上記持続力型電力バッファに充電することを特徴とする請求項６に記載する電力バッファ装置システム。
上記制御装置は、上記他の所定の時間帯に上記リレー回路を閉じて上記持続力型電力バッファ装置に充電された電力を上記直流母線に一定の電流で放電することを特徴とする請求項６または７に記載する電力バッファ装置システム。
上記他の所定の時間帯は、午前または午後の上記商用系統の発電量がピークになる時間帯であり、上記所定の時間帯は、上記商用系統の発電量がピークになる時間帯の直前までの時間帯であることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一項に記載する電力バッファ装置システム。