JP4583112B2

JP4583112B2 - 瞬低補償装置、および電気二重層キャパシタの充電方法

Info

Publication number: JP4583112B2
Application number: JP2004255037A
Authority: JP
Inventors: 重幸杉本; 亮介波多野; 裕通伊藤
Original assignee: Meidensha Corp; Chubu Electric Power Co Inc
Current assignee: Meidensha Corp; Chubu Electric Power Co Inc
Priority date: 2004-09-02
Filing date: 2004-09-02
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2024-09-02
Also published as: JP2006074903A

Description

本発明は、電気二重層キャパシタを電源とする瞬低補償装置に係り、特に電気二重層キャパシタの充電装置および充電方法に関する。

電気二重層キャパシタ（以下ＥＤＬＣ）は、活性炭と電解液との界面に形成される電気二重層に蓄積される電気エネルギーを利用するもので、ファラッドオーダの電気容量を瞬時に充放電できる大容量コンデンサである。用途としてはメモリバックアップ用の小容量品から、電気自動車のパワーアシスト用としての中容量品、そして電力貯蔵用蓄電池の代替としての大容量無停電電源装置まで幅広く検討されている。例えば、ＥＤＬＣは携帯型情報機器の無停電電源装置に適用されている（例えば、特許文献１参照）。

なお、ＥＤＬＣは、その単位キャパシタの耐電圧が、その構成要素である電解液（電解質、溶媒）の電気分解電圧で決まり、水溶液系電解液の場合約１.２Ｖ、有機系電解液の場合２〜３Ｖである。溶媒分解電圧以上の電圧を印加するとキャパシタは破壊されるため、高電圧を要求される用途には、多数の単位キャパシタの直列接続で構成する。

また、ＥＤＬＣは、構造的には、電極とセパレータを渦巻き状に巻き、円筒形ケースに収納する捲回型と、電極セパレータが平板状の平板型があり、平板型は電極、セパレータ、電極、セパレータ、…と交互に積層するバイポーラ構造をとることができ、高電圧用途に適する。例えば、有機系電解液を使用した平板型構造で、４０〜５０セル積層した定格電圧１００Ｖクラスのユニットが開発されている。中容量、大容量の電力貯蔵用途では、ユニットを並列、直列に組み合わせたモジュールを適用させる。
特開２００３−１１１３０５号公報

電力自由化や規制緩和の進展により、電力系統をめぐる環境は変化しつつあり、瞬時電圧低下や短時間停電への対応など電力品質を維持するための方策が望まれている。ＥＤＬＣは鉛蓄電池と比較すると、長寿命、無保守、高入出力特性を有しており、電解コンデンサと比較すると、大容量の蓄電が可能であるため、瞬時電圧低下だけでなく、短時間停電の対応が可能なデバイスとなる。このため、ＥＤＬＣの適用製品の一つとして、キャパシタ式瞬低対策装置が検討されている。

図４にキャパシタ式瞬低対策装置の概略構成を示す。この装置では、常時は系統（商用電源）１からモータやエキシマレーザ励起電源等の負荷２に高速遮断スイッチ３を通して電力供給（常時商用給電方式）が行われており、系統電圧の瞬低（瞬時低下、または瞬時停電）検知を行うことにより、瞬時に高速遮断スイッチ３を解放し、インバータ４を通してＥＤＬＣ５に蓄電された電気エネルギーを供給することで瞬低補償を行っている。

補償時間はＥＤＬＣの容量により、通常は１秒〜６０秒までが考えられるが、殆どの瞬低は２秒補償でまかなうことができる。短時間で大電流放電を行うため、内部抵抗Ｒで発生するＩＲドロップによる電圧低下を極力抑えるため、ＥＤＬＣとしては内部抵抗Ｒの低いものが望まれる。瞬低補償時は、インバータ等変換装置の使用電圧範囲内で復電後の同期引き入れ時間を含めた２〜３秒の放電を行う。その後、次の瞬低に備えるため、短時間に充電を行う必要がある。

ＥＤＬＣの充電制御方式は、従来は定電流、または定電力で定格電圧まで行い、その後一定電圧で充電を行っていた。ところが放電時の約半分の電力、あるいは電流で充電を行う場合、ＥＤＬＣの内部抵抗によるＩＲドロップ分の電圧上昇を伴うことで、３〜４秒で定格電圧まで到達し、その後の定電圧充電では電流が絞られ、充電電流が充分に小さくなるまで約数秒を要していた。

図５に２００ｋＶＡ級キャパシタ式瞬低補償装置の、定格電力（１７０ｋＷ）３秒放電後、定電力１００ｋＷで充電を行ったときの電圧・電流特性を示す。ここでは定電力で４秒、定電圧で６秒、瞬低補償後充電が完了するまで約１０秒間要していた。

多重雷等による瞬低の場合、短時間の間に複数回の瞬低補償が行われる可能性があり、その場合上記の充電時間では瞬低補償ができなくなることがあった。

また、ＥＤＬＣは、長期にわたって使用すると、その特性変化に伴い上記の充電時間がさらに延びることになり、瞬低補償がますます難しくなる。

本発明の目的は、充電時間を短縮することができる瞬低補償装置および電気二重層キャパシタの充電方法を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、電気二重層キャパシタの充電開始時には定電力または定電流で定格電圧よりも高く、定格電圧＋ＩＲドロップ電圧よりも低い最終充電電圧値まで充電し、その後定格電圧による一定電圧制御を行うようにしたもので、以下の装置、方法を特徴とする。

（１）常時は電力系統から負荷に電力を供給する電源装置に、電気二重層キャパシタを直流電源とするインバータを併設し、電力系統に瞬時電圧低下または瞬時停電の発生毎に該電気二重層キャパシタの放電でインバータから負荷に補償電力を供給し、この補償電力の供給終了毎に次の瞬時低下または瞬時停電に備えて該電気二重層キャパシタを短時間で充電しておく瞬低補償装置において、
前記電気二重層キャパシタの放電でインバータから負荷に補償電力を供給した後、該電気二重層キャパシタの充電開始時には定電力または定電流でキャパシタ定格電圧よりも高く、定格電圧＋ＩＲドロップ電圧よりも低い最終充電電圧値まで充電し、その後定格電圧による一定電圧制御を行う充電手段を備え、
前記充電手段は、電気二重層キャパシタの使用に伴う内部抵抗Ｒの増加に合わせて前記最終充電電圧値を高い値に変更する手段を備えたことを特徴とする。

（２）前記充電手段は、電気二重層キャパシタの使用に伴う特性変化に合わせて前記最終充電電圧値を変更する手段を備えたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、電気二重層キャパシタの充電開始時には定電力または定電流で定格電圧よりも高く、定格電圧＋ＩＲドロップ電圧よりも低い最終充電電圧値まで充電し、その後定格電圧による一定電圧制御を行うようにしたため、充電時間を短縮することができる。

また、使用に伴う電気二重層キャパシタの特性変化に合わせて、定電力または定電流で行う最終充電電圧値を変えることにより、長期的にも充電時間を短縮することが可能になる。

（実施形態１）
図１は、瞬低補償装置の構成を示す。同図は、図４と同様に、常時は系統（商用電源）１から負荷２に高速遮断スイッチ３Ａを通して電力供給しており、系統電圧の瞬低検知を行うことにより、瞬時に高速遮断スイッチ３Ａを解放し、ＥＤＬＣ５からインバータ４および高速遮断スイッチ３Ｂを通して負荷２に補償電力を供給する。この装置において、ＥＤＬＣ５の充電装置は、商用電源１から直流電力を得る整流器６と、この直流出力を昇圧してＥＤＬＣ５を充電する昇圧チョッパ７と、昇圧チョッパ７の制御装置８で構成する。

制御装置８は、ＥＤＬＣ５から負荷２への補償電力供給を終えた後、インバータ４を運転停止して商用電源１から負荷２への電力供給を開始したときに発生する充電指令で昇圧チョッパ７の制御を開始する。この制御はＥＤＬＣ５の電圧Ｖおよび充電電流Ｉの検出信号を基にした定電力充電により最終充電電圧値まで充電し、その後に定格電圧による定電圧充電を行う。

例えば、２００ｋＶＡ級キャパシタ式瞬低対策装置の場合、定電力（１００ｋＷ）で定格電圧（６２５Ｖ）よりも４％高い値（６５０Ｖ）まで充電を行い、その後に定格電圧による一定電圧制御を行う。

図２にそのときの電圧・電流特性を示す。この結果、６５０Ｖまでの充電が約６秒で終了し、それ以降は定格電圧６２５Ｖに下げ、充電電流は殆ど流れないで約７秒で充電が完了した。この特性からも明らかなように、従来の図５の特性と比べて、約３割の充電時間短縮を図ることができた。

ここで、定電力充電または定電圧充電時の最終充電電圧が定格電圧（６２５Ｖ）よりもあまり高くならないように、設定電圧は定格電圧（６２５Ｖ）＋ＩＲドロップ（図１の装置では約３０Ｖ）よりも小さい値に設定することが好ましい。

（実施形態２）
ＥＤＬＣは使用に伴い少しずつ特性変化を起こす。２００ｋＶＡ級瞬低補償装置に適用したＥＤＬＣは１０年使用後に静電容量が１３％低下し、内部抵抗が５０％増加することが見込まれている。１０年後の定格出力後の充電時間は、内部抵抗が増加することにより、長くなることが予想される。特性変化を見込んでキャパシタ数を削減して、２００ｋＶＡ級瞬低補償装置に組み込み、図３にそのときの電圧（Ｖ１）・電流（Ｉ１）特性を示し、満充電状態になるまでに約１１秒要した。

そこで、本実施形態では、１０年使用後においても充電時間を短くするため、定電力（１００ｋＷ）で定格電圧（６２５Ｖ）よりも約６％高い値（６６０Ｖ）迄充電を行い、その後に定格電圧（６２５Ｖ）による定電圧充電を行う方式を採った。図３のＶ２，Ｉ２にそのときの電圧・電流特性を示す。これより約８秒で充電を完了することができる。

なお、実施形態では、充電開始時にはＥＤＬＣを定電力充電する場合を示すが、これは定電流充電とすることでもよい。

また、実施形態では、２００ｋＶＡ級キャパシタ式瞬低対策装置に本発明を適用した場合で示すが、１００ｋＶＡ級の瞬低補償装置など、瞬低補償される装置の定格電圧の違いによって最終充電電圧値までの充電と、定電圧充電での電圧および電流が適宜変更される。

また、実施形態では、ＥＤＬＣの充電回路を昇圧チョッパ方式とする場合を示すが、チョッパに代えてインバータと整流回路で構成する方式、さらにインバータ４を双方向性電力変換器に構成してＥＤＬＣの充電装置として利用する方式など適宜設計変更できる。

本発明の実施形態を示す瞬低補償装置の構成図。実施形態１における充電時の電圧・電流特性。実施形態２における充電時の電圧・電流特性。瞬低補償装置の概略構成図。従来の充電時の電圧・電流特性。

符号の説明

１商用電源
２負荷
３、３Ａ、３Ｂ高速遮断スイッチ
４インバータ
５電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）
６整流器
７昇圧チョッパ
８制御装置

Claims

常時は電力系統から負荷に電力を供給する電源装置に、電気二重層キャパシタを直流電源とするインバータを併設し、電力系統に瞬時電圧低下または瞬時停電の発生毎に該電気二重層キャパシタの放電でインバータから負荷に補償電力を供給し、この補償電力の供給終了毎に次の瞬時低下または瞬時停電に備えて該電気二重層キャパシタを短時間で充電しておく瞬低補償装置において、
前記電気二重層キャパシタの放電でインバータから負荷に補償電力を供給した後、該電気二重層キャパシタの充電開始時には定電力または定電流でキャパシタ定格電圧よりも高く、定格電圧＋ＩＲドロップ電圧よりも低い最終充電電圧値まで充電し、その後定格電圧による一定電圧制御を行う充電手段を備え、
前記充電手段は、電気二重層キャパシタの使用に伴う内部抵抗Ｒの増加に合わせて前記最終充電電圧値を高い値に変更する手段を備えたことを特徴とする瞬低補償装置。