JP6735204B2 - 給電システム - Google Patents

Description

本発明は、例えば住宅の如き建造物に装備されている各種電気設備である給電すべき負荷に対する給電源に、商用電力系統の如き電力系統と電気自動車に装備された蓄電器の如き蓄電手段とのいずれかを選択的に使用することができる給電システムに関する。

下記特許文献１には、建造物に装備されている各種電気設備に対する給電に、電力系統と電気自動車に装備されている蓄電器である蓄電手段とのいずれかを選択的に使用することができる給電システムが開示されている。この給電スシテムは、電力系統、負荷及び蓄電手段に加えて切替盤及び充放電装置を具備している。切替盤は電力系統と負荷との間に介在せしめられた切替スイッチ手段を含み、充放電装置も蓄電手段と切替盤の切替スイッチ手段及び負荷との間に介在せしめられた充放電スイッチ手段を含んでいる。切替スイッチ手段及び充放電スイッチ手段の各々は機械的スイッチから構成されている。

また、下記特許文献２には、切替スイッチ手段及び充放電スイッチ手段の各々を相互に並列接続された機械的スイッチと半導体スイッチとから構成した給電システムが開示されている。

特開２０１３−２４７８４１号公報 特開２０１５−８２８７９号公報

而して、上記特許文献１に開示されている給電システムには、切替スイッチ手段及び充放電スイッチ手段の各々が切替動作に幾分かの時間、例えば０．１乃至１．０秒を要する機械的スイッチ、即ち開閉される接点を備えた形態のスイッチ、から構成されている故に、負荷への給電を電力系統から蓄電手段に切り替える際及び蓄電手段から電力系統に切り替える際に幾分かの非給電時間即ち停電時間が生成されてしまう、という解決すべき問題が存在する。給電すべき負荷の形態にも依存するが、負荷の安定作動のためには一般に停電時間は実質上零秒、即ち数ミリ秒以内、であることが望まれる。

一方、上記特許文献２に開示されている給電システムにおいては、切替スイッチ手段及び充放電スイッチ手段の各々が、機械的スイッチに加えて切替動作が高速で遂行される並列接続半導体スイッチを含んでいる故に、負荷への給電を電力系統から蓄電手段に切り替える際及び蓄電手段から電力系統に切り替える際の停電時間の発生を実質上回避、即ち数ミリ秒以内にすることができる。しかしながら、上記特許文献２に開示されている給電システムも、未だ充分に満足できるものではなく、半導体スイッチの信頼性、特に絶縁信頼性、が低いことに起因して、必ずしも充分な信頼性が確保されていない、という問題がある。

本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術的課題は、負荷への給電を電力系統から蓄電手段に切り替える際及び蓄電手段から電力系統に切り替える際に停電時間が実質上生成されることがないことに加えて充分な信頼性が確保される、新規且つ改良された給電システムを提供することである。

本発明者等は、鋭意検討の結果、切替スイッチ手段及び充放電スイッチ手段の各々を相互に並列接続した機械的スイッチ及び半導体スイッチと共にかかる機械的スイッチ及び半導体スイッチに直列接続された付加的な機械式スイッチによって構成し、これらの各種スイッチを適宜にオン及びオフすることによって、上記主たる技術的課題を達成することができることを見出した。

即ち、本発明によれば、上記主たる技術的課題を達成する給電システムとして、電力系統、負荷、切替盤、充放電装置、蓄電手段及び制御手段を具備し、該切替盤は該電力系統と該負荷との間に直列接続された切替スイッチ手段を含み、該充放電装置は相互に直列接続された直交変換器及び充放電スイッチ手段を含み、該直交変換器と該充放電スイッチ手段は該蓄電手段と該切替スイッチ手段との間に直列接続されていると共に、該蓄電手段と該負荷との間に直列接続されており、該制御手段は該切替スイッチ手段及び該充放電スイッチ手段のオン・オフを制御する給電システムにおいて、
該切替スイッチ手段は、相互に並列接続された第一の機械的スイッチ及び半導体スイッチと共に該第一の機械スイッチ及び該半導体スイッチに直列接続された第二の機械的スイッチから構成されており、
該充放電スイッチ手段も、相互に並列接続された第一の機械的スイッチ及び半導体スイッチと共に該第一の機械スイッチ及び該半導体スイッチに直列接続された第二の機械的スイッチから構成されており、
該制御手段は、該負荷への給電を該電力系統から該蓄電手段に切り替える際には、該直交変換器をオンし、これと同時に、これに続いて又はこれに先立って該充放電スイッチ手段の該第二の機械的スイッチをオンし、次いで該切替スイッチ手段の該半導体スイッチをオンし、これと同時に又はこれに続いて該切替スイッチ手段の該第一の機械的スイッチをオフし、しかる後に該切替スイッチ手段の該半導体スイッチをオフすると同時に該充放電スイッチ手段の該半導体スイッチをオンし、これと同時に又はこれに続いて該切替スイッチ手段の該第二の機械的スイッチをオフし、これと同時に、これに続いて又はこれに先立って該充放電スイッチ手段の該第一の機械的スイッチをオンし、しかる後に該充放電スイッチ手段の該半導体スイッチをオフし、
該制御手段は、該負荷への給電を該蓄電手段から該電力系統に切り替える際には、該充放電スイッチ手段の該半導体スイッチをオンし、これと同時に又はこれに続いて該充放電スイッチ手段の該第一の機械的スイッチをオフし、次いで該切替スイッチ手段の該第二の機械的スイッチをオンし、しかる後に該充放電スイッチ手段の該半導体スイッチをオフすると同時に該切替スイッチ手段の該半導体スイッチをオンし、しかる後に該切替スイッチ手段の該第一の機械的スイッチをオンし、次いで該切替スッチ手段の該半導体スイッチをオフし、次いで該充放電スイッチ手段の該第二の機械的スイッチをオフし、これと同時に、これに続いて又はこれに先立って該直交変換器をオフする、
ことを特徴とする給電システムが提供される。
而して、本願特許請求の範囲及び明細書において使用する語句「同時」は、厳密に同時であることに限定されるものではなく、実質上同時、即ち停電時間間隔が負荷の安定作動に悪影響を与えることがない数ミリ秒以下の時間間隔を含むことが理解されるべきである。

本発明の給電システムにおいては、負荷への給電を電力系統から蓄電手段へ切り替える際には、切替スイッチ手段の半導体スイッチをオフに切り替えると同時に充放電スイッチ手段の半導体スイッチをオンに切り替えることによって遂行され、また負荷への給電を蓄電手段から電力系統へ切り替える際には、充放電スイッチ手段の半導体スイッチをオフに切り替えると同時に切替スイッチ手段の半導体スイッチをオンに切り替えることによって遂行され、従っていずれの場合も充分高速で切替動作が遂行され、停電時間の発生を実質上回避することができる。加えて、切替スイッチ手段の半導体スイッチをオフに切り替えた時には切替スイッチ手段の第二の機械的スイッチもオフに切り替え、充放電スイッチ手段の半導体スイッチをオフに切り替えた時には充放電スイッチ手段の第二の機械的スイッチもオフに切り替え、かくして半導体スイッチの絶縁信頼性が第二の機械的スイッチによって確実に補助され、充分な信頼性が確保される。

本発明に従って構成された給電システムの好適実施形態を示す簡略図。 図１に示す給電システムの簡略ブロック回路図。 図１及び図２に示す給電システムにおいて負荷への給電を電力系統から蓄電手段に切り替える際の制御様式を示すフローチャート。 図１及び図２に示す給電システムにおいて負荷への給電を電力系統から蓄電手段に切り替える際の各種構成要素の経時変化を示す線図。 図１及び図２に示す給電システムにおいて負荷への給電を蓄電手段から電力系統に切り替える際の制御様式を示すフローチャート。 図１及び図２に示す給電システムにおいて負荷への給電を蓄電手段から電力系統に切り替える際の各種構成要素の経時変化を示す線図。

図１を参照して説明すると、図示の給電システムは、住宅の如き建造物２に配設された分電盤４、切替盤６、負荷８及び電力量計１０を含んでいる。給電システムは、更に、建造物２に隣接して配設された充放電装置１２と共に、充放電装置１２に離脱自在に接続される蓄電手段１４を含んでいる。蓄電手段１４の典型例としては、電気自動車に装備された蓄電器を挙げることができる。電力量計１０には電力系統１６が接続されている。

図１と共に図２を参照して説明を続けると、分電盤４には１個の主幹ブレーカ１８と複数個の分岐ブレーカ２０（図２には３個の分岐ブレーカ２０のみを図示している）が配設されている。電力系統１６は電力量計１０及び分電盤４の主幹ブレーカ１８を介して切替盤６に接続されている。

切替盤６は全体を番号２２で示す切替スイッチ手段を備えており、この切替スイッチ手段２２は相互に並列接続された第一の機械的スイッチ２４及び半導体スイッチ２６と共に第一の機械的スイッチ２４及び半導体スイッチ手段２６に直列接続された第二の機械的スイッチ２８から構成されていることが重要である。第一の機械的スイッチ２４及び第二の機械的スイッチ２８は周知の形態、例えばソレノイドで接点の開閉が遂行される形態、のものでよく、半導体スイッチ２６はトライアックの如き周知の形態のものでよい。切替スイッチ手段２２の一次側は、上記分電盤４に配設されている主幹ブレーカ１８に接続されている。切替スイッチ手段２２の二次側は、上記分電盤４に配設されている複数個の分岐ブレーカ２０を介して、夫々、建造物２に配設されている各種電気設備である複数個の負荷８（図２には３個の分岐ブレーカ２０と共に３個の負荷８のみを図示している）に接続されている。

充放電装置１２は直列接続された直交変換器３０及び充放電スイッチ手段３２を備えており、充放電スイッチ手段３２は、上記切替スイッチ手段２２と同様に、相互に並列接続された第一の機械的スイッチ３４及び半導体スイッチ３６と共に第一の機械的スイッチ３４及び半導体スイッチ手段３６に直列接続された第二の機械的スイッチ３８から構成されていることが重要である。充放電スイッチ手段３２の一次側は上記切替スイッチ手段２２の二次側に接続されていると共に、上記分電盤４に配設されている複数個の分岐ブレーカ２０を介して、夫々、建造物２に配設されている複数個の負荷８に接続されている。充放電スイッチ手段３２の二次側は直交変換器３０に接続されている。上記蓄電手段１４は直交変換器３０の二次側に離脱自在に接続されている。

図２を参照して説明を続けると、給電システムは、更に、上記切替スイッチ手段２２の第一の機械的スイッチ２４、半導体スイッチ２６及び第二の機械的スイッチ２８のオン・オフを制御すると共に、上記充放電スイッチ手段３２の第一の機械的スイッチ３４、半導体スイッチ３６及び第二の機械的スイッチ３８のオン・オフを制御するための制御手段４０、及び負荷８への給電を電力系統１６から蓄電手段１４に切り替える際及び負荷８への給電を蓄電手段１４から電力系統１６に切り替える際に手動操作される切替スイッチ４４が配設された制御パネル４２を含んでいる。制御手段４０及び制御パネル４２は、充放電装置１２とは別個に配設することもできるが、充放電装置１２に付設されているのが好都合である。

次に、上述したとおりの給電システムにおける、負荷８への給電を電力系統１６から蓄電手段１４に切り替える際及び負荷８への給電を蓄電手段１４から電力系統１６へ切り替える際の挙動、特に制御手段４０による切替スイッチ手段２２及び充放電スイッチ手段３２の制御様式、について説明する。

図２と共に図３及び図４を参照して説明すると、電力系統１６から負荷８に給電している状態では、切替スイッチ手段２２においては第一の機械的スイッチ２４はオン、半導体スイッチ２６はオフ、第二機械的スイッチ２８はオンであり、充放電スイッチ手段３２においては第一の機械的スイッチ３４はオフ、半導体スイッチ３６はオフ、第二の機械的スイッチ３８はオフであり、そして直交変換器３０はオフである。負荷８への給電を電力系統１６から蓄電手段１４に切り替える場合、ステップＮ−１において、蓄電手段１４が直交変換器３０に接続されていないときには手動で蓄電手段１４を直交変換器３０に接続する。次いで、ステップＮ−２に進行し、制御パネル４２に配設されている切替スイッチ４４を手動操作して、電力系統１６から蓄電手段１４に切り替える信号を生成して制御手段４０に送信する。切替スイッチ４４を手動操作することに代えて、例えば制御手段４０に配設されている時計手段（図示していない）によって自動的に切替信号を生成することもできる。ステップＮ−３においては直交変換器３０をオンに設定する。次いで、ステップＮ−４において充放電スイッチ手段３２の第二の機械的スイッチ３８をオンにし、ステップＮ−５において切替スイッチ手段２２の半導体スイッチ２６をオンにし、ステップＮ−６において切替スイッチ手段２２の第一の機械的スイッチ２４をオフにする。ステップＮ−４、Ｎ−５及びＮ−６は、この順で遂行することに限られるものではなく、実質上同時に或いは任意の順で遂行することもできる。しかる後に、ステップＮ−７に進行して切替スイッチ手段２２の半導体スイッチ２６をオフに切り替え、これと実質上同時に充放電スイッチ手段３２の半導体スイッチ３６をオンに切り替える。半導体スイッチ２６のオフと半導体スイッチ３６のオンとは必ずしも厳密に同時である必要はなく、電力系統１６と蓄電手段１４との連携を確実に回避するために、半導体スイッチ２６をオフに切り替えた後に数ミリ秒の時間間隔（即ち負荷８の安定動作に悪影響を及ぼさない時間間隔）をおいて半導体スイッチ３６をオンに切り替えることができる。半導体スイッチ２６をオフに切り替え半導体スイッチ３６をオンに切り替えると、電力系統１６が負荷８から切り離され、蓄電手段１４が直交変換器３０、充放電スイッチ手段３２の第二の機械的スイッチ３８及び半導体スイッチ３６を介して負荷８に接続され、実質上停電時間なしで負荷８への給電が電力系統１６から蓄電手段１４に切り替えられる。しかる後に、ステップＮ−８において切替スイッチ手段２２の第二の機械的スイッチ２８をオフにし、ステップＮ−９において充放電スイッチ手段３２の第一の機械的スイッチ３４をオンにする。ステップＮ−８及びステップＮ−９は実質上同時に遂行し、或いはステップＮ−８に先立ってステップＮ−９を遂行してもよい。次いで、若干の時間（充放電スイッチ手段３２の第一の機械的スイッチ３４の接点が確実に閉成されるのに要する時間）経過後、ステップＮ−１０に進行して充放電スイッチ手段３２の半導体スイッチ３６をオフにする。このようにして負荷８への給電が電力系統１６から蓄電手段１４に切り替えられた状態では、切替スイッチ手段２２においては第一の機械的スイッチ２４はオフ、半導体スイッチ２６はオフ、第二機械的スイッチ２８はオフであり、充放電スイッチ手段３２においては第一の機械的スイッチ３４はオン、半導体スイッチ３６はオフ、第二の機械的スイッチ３８はオンであり、そして直交変換器３０はオンである。蓄電手段１４は直交変換器３０、充放電スイッチ手段３２の第二の機械的スイッチ３８及び第一の機械的スイッチ３４を介して負荷８に接続される。

図２と共に図５及び図６を参照して説明を続けると、負荷８への給電を蓄電手段１４から電力系統１６に切り替える場合、ステップＳ−１において、制御パネル４２に配設されている切替スイッチ４４を手動操作して、蓄電手段１４から電力系統１６に切り替える信号を生成して制御手段４０に送信する。この場合も、切替スイッチ４４を手動操作することに代えて、例えば制御手段４０に配設されている時計手段（図示していない）によって自動的に切替信号を生成することもできる。次いで、ステップＳ−２においては切替スイッチ手段３２の半導体スイッチ３６をオンにし、ステップＳ−３において充放電スイッチ３２の第一の機械的スイッチ３４をオフにし、ステップＳ−４において切替スイッチ手段２２の第二の機械的スイッチ２８をオンにする。ステップＳ−２、Ｓ−３及びＳ−４は、この順で遂行することに限られるものではなく、実質上同時に或いは任意の順で遂行することもできる。しかる後に、ステップＳ−５に進行して充放電スイッチ手段３２の半導体スイッチ３６をオフに切り替え、これと実質上同時に切り替えスイッチ手段２２の半導体スイッチ２６をオンに切り替える。半導体スイッチ３６のオフと半導体スイッチ２６のオンとは必ずしも厳密に同時である必要はなく、電力系統１６と蓄電手段１４との連携を確実に回避するために、半導体スイッチ３６をオフに切り替えた後に数ミリ秒の時間間隔（即ち負荷８の安定動作に悪影響を及ぼさない時間間隔）をおいて半導体スイッチ２６をオンに切り替えることができる。半導体スイッチ３６をオフに切り替え半導体スイッチ２６をオンに切り替えると、蓄電手段１４が負荷８から切り離され、電力系統１６切替スイッチ手段２２の半導体スイッチ２６及び第二の機械的スイッチ２８を介して負荷８に接続され、実質上停電時間なしで負荷８への給電が蓄電手段１４から電力系統１６に切り替えられる。次いで、ステップＳ−６において、切替スイッチ手段２２の第一の機械的スイッチ２４をオンにする。しかる後に、若干の時間（切り替えスイッチ手段２２の第一の機械的スイッチ２４の接点が閉成するのに要する時間）経過後、ステップＳ−７に進行して切替スイッチ手段２２の半導体スイッチ２６をオフにする。次いで、ステップＳ−８において充放電スイッチ手段３２の第二の機械的スイッチ３８をオフにし、ステップＳ−９において直交変換器３０をオフに切り替える。ステップＳ−８及びステップＳ−９は実質上同時に遂行し、或いはステップＳ−８に先立ってステップＳ−９を遂行することもできる。次いで、ステップＳ−１０に進行し、必要に応じて蓄電手段１４を直交変換器３０から切り離す。このようにして負荷８への給電が蓄電手段１４からら電力系統１６に切り替えられた状態では、上述したとおり、切替スイッチ手段２２においては第一の機械的スイッチ２４はオン、半導体スイッチ２６はオフ、第二機械的スイッチ２８はオンであり、充放電スイッチ手段３２においては第一の機械的スイッチ３４はオフ、半導体スイッチ３６はオフ、第二の機械的スイッチ３８はオフであり、そして直交変換器３０はオフである。電力系統１６は切替スイッチ手段２２の第一の機械的スイッチ２４及び第二の機械的スイッチ２８を介して負荷８に接続される。

２：建造物
４：分電盤
６：切替盤
８：負荷
１０：電力量計
１２：充放電装置
１４：蓄電手段
１６：電力系統
１８：主幹ブレーカ
２０：分岐ブレーカ
２２：切替スイッチ手段
２４：第一の機械的スイッチ
２６：半導体スイッチ
２８：第二の機械的スイッチ
３０：直交変換器
３２：充放電スイッチ手段
３４：第一の機械的スイッチ
３６：半導体スイッチ
３８：第二の機械的スイッチ
４０：制御手段
４２：制御パネル
４４：切替スイッチ

Claims (1)

1. 電力系統、負荷、切替盤、充放電装置、蓄電手段及び制御手段を具備し、該切替盤は該電力系統と該負荷との間に直列接続された切替スイッチ手段を含み、該充放電装置は相互に直列接続された直交変換器及び充放電スイッチ手段を含み、該直交変換器と該充放電スイッチ手段は該蓄電手段と該切替スイッチ手段との間に直列接続されていると共に、該蓄電手段と該負荷との間に直列接続されており、該制御手段は該切替スイッチ手段及び該充放電スイッチ手段のオン・オフを制御する給電システムにおいて、
   該切替スイッチ手段は、相互に並列接続された第一の機械的スイッチ及び半導体スイッチと共に該第一の機械スイッチ及び該半導体スイッチに直列接続された第二の機械的スイッチから構成されており、
   該充放電スイッチ手段も、相互に並列接続された第一の機械的スイッチ及び半導体スイッチと共に該第一の機械スイッチ及び該半導体スイッチに直列接続された第二の機械的スイッチから構成されており、
   該制御手段は、該負荷への給電を該電力系統から該蓄電手段に切り替える際には、該直交変換器をオンし、これと同時に、これに続いて又はこれに先立って該充放電スイッチ手段の該第二の機械的スイッチをオンし、次いで該切替スイッチ手段の該半導体スイッチをオンし、これと同時に又はこれに続いて該切替スイッチ手段の該第一の機械的スイッチをオフし、しかる後に該切替スイッチ手段の該半導体スイッチをオフすると同時に該充放電スイッチ手段の該半導体スイッチをオンし、これと同時に又はこれに続いて該切替スイッチ手段の該第二の機械的スイッチをオフし、これと同時に、これに続いて又はこれに先立って該充放電スイッチ手段の該第一の機械的スイッチをオンし、しかる後に該充放電スイッチ手段の該半導体スイッチをオフし、
   該制御手段は、該負荷への給電を該蓄電手段から該電力系統に切り替える際には、該充放電スイッチ手段の該半導体スイッチをオンし、これと同時に又はこれに続いて該充放電スイッチ手段の該第一の機械的スイッチをオフし、次いで該切替スイッチ手段の該第二の機械的スイッチをオンし、しかる後に該充放電スイッチ手段の該半導体スイッチをオフすると同時に該切替スイッチ手段の該半導体スイッチをオンし、しかる後に該切替スイッチ手段の該第一の機械的スイッチをオンし、次いで該切替スッチ手段の該半導体スイッチをオフし、次いで該充放電スイッチ手段の該第二の機械的スイッチをオフし、これと同時に、これに続いて又はこれに先立って該直交変換器をオフする、
   ことを特徴とする給電システム。