分散型電源配電システムおよび分散型電源装置
【課題】交流電力系統における電力品質の悪化の発生を引き起こすことを防止し、直流電力を負荷に供給できる分散型電源配電システムを提供する。
【解決手段】交流電力系統４からの交流電力を力率改善して直流電力に変換して出力する力率改善整流回路６と、自ら発電して直流電力を出力する分散型電源１と、力率改善整流回路からの直流電力または分散型電源からの直流電力を選択する電力スイッチ７と、電力スイッチ７の出力側に並列接続される蓄電器３および負荷に電力を供給するための配線８と、電力スイッチを制御する電源制御部２と、を備えた。
【解決手段】交流電力系統４からの交流電力を力率改善して直流電力に変換して出力する力率改善整流回路６と、自ら発電して直流電力を出力する分散型電源１と、力率改善整流回路からの直流電力または分散型電源からの直流電力を選択する電力スイッチ７と、電力スイッチ７の出力側に並列接続される蓄電器３および負荷に電力を供給するための配線８と、電力スイッチを制御する電源制御部２と、を備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分散型電源配電システムおよび分散型電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽光発電、風力発電、燃料電池発電などによる分散型電源が注目されている。これらの分散型電源から発電される電力は、所謂、クリーンエネルギーないしは新エネルギーと称されるものである。国家の制度支援もあって、分散型電源による発電量は、今後数年の間に、太陽光発電では現在の約１０倍の１１８万ｋＷ（キロ・ワット）、風力発電では現在の約２３倍の１３４万ｋＷに増加すると予想されている。そして、電気事業者による新エネルギー等の利用に関する特別措置法（ＲＰＳ法）によれば、２０１０年度の新エネルギー（太陽光発電、風力発電、バイオマス発電、中小水力発電、地熱発電）による発電量は、わが国の全発電量約８７１０億ｋＷの約１．４％である１２２億ｋＷに増大することとされている。
【０００３】
このような、分散型電源からの発電電力は、同期発電機を用いた従来の交流電力系統（商用電源）と連系する方式が一般的に採用されている。すなわち、分散型電源によって発電される電力の余剰分は交流電力系統へ送られている。このようにして、分散型電源からの余剰電力を有効に利用することが可能となされている。そのために、分散型電源が、例えば、太陽光発電による場合であれば、太陽光発電で得られた直流電力を、交流電力系統の正弦波の電圧波形と、振幅および位相が揃った交流電力に変換するインバータが用いられている。このような、インバータは、交流電力系統および屋内配線に並列に接続され、分散型電源からの余剰電力を交流電力系統へ送り出すとともに、屋内配線に接続される交流で働く電気機器に電力を供給している（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
特許文献１によれば、分散型電源の一種である太陽光発電システムの基本的部分は、図１０に示すように構成されている。太陽電池１０１からの電力は、インバータ１０２において、直流から交流に変換され、通常はＯＮ（導通状態）となっているスイッチ１０４を介して交流電力系統１１０に接続されている。負荷１０７は交流電源によって動作する一般的な家庭内または工場内の機器である。同期追従制御回路１１１は、計器用変圧器ＰＴから得た交流電力系統１１０の交流電圧ＶＡＣと計器用変流器ＣＴから得た交流電流ＩＡＣとをその入力信号とし、交流電圧ＶＡＣに同期した交流電圧と力率１の交流電流とを形成するように演算された所要の指令信号ＳＩＮをインバータ１０２に与える。このようにして、インバータ１０２から出力される交流電力が負荷１０７で消費される電力量を上回る場合には、自動的に交流電力系統１１０に電力が送られる。また、負荷１０７で消費される電力量が分散型電源である太陽電池１０１によって供給される電力量よりも大きい場合には、自動的に交流電力系統１１０から負荷１０７に電力が供給される。
【０００５】
しかしながら、交流電力系統１１０と同じ電圧波形を作り出すこのようなインバータ１０２の設計は難しく高価なものであった。そのために、高性能のインバータが常に用いられるとは限らず、インバータ１０２から交流電力系統１１０に対して送り出される品質が悪い電力の量が大量となる場合には、交流電力系統において系統擾乱（Ｐｏｗｅｒ Ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ：ＰＤ）を引き起こし、交流電力系統からの電力の供給に障害が生じてしまう虞があった。また、系統擾乱には至らない場合であっても、交流電力系統１１０における電圧の波形歪みを生じ、交流電力系統１１０に接続される他の機器へ悪影響を与える場合もあり得た。
【０００６】
このような問題を改善するものとして、近年、交流電力系統からの交流電力を直流電力に変換して、直流電力を発電する分散型電源からの電力の不足分を交流電力系統からの電力で刻々補充する方式が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。このような方式を採用する場合には、分散型電源からの余剰直流電力を交流電力系統に対して送り出すことがないので、上述した系統擾乱、交流電力系統における電圧の波形歪みの問題は生じない。
【０００７】
また、負荷となる電気機器、例えば、一般家庭では、家庭電化製品であり、工場内であれば、電動機等をはじめとする産業機器は、近年、半導体装置による電子制御が多く取り入れられ、家庭電化製品または産業機器の内部に整流回路を備え、交流電力系統からの交流電力を一旦直流電力に変換して用いることが、主流の技術傾向となっており、家庭電化製品の多くが、すでに直流電源に対応可能となっている。
【特許文献１】特開平１０―３１５２５号公報
【特許文献２】特開２００５−２２９７２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
分散型電源に対する期待は、良好なる地球環境の維持の点から極めて高く、クリーンエネルギーの開発、クリーンエネルギーに基づく電力供給をさらに増大することが要望されている。しかしながら、分散型電源で発電して余剰となった電力を刻々と交流電力系統に送り出す従来の方式（特許文献１を参照）では、発電電力の不足量を分散型電源で補うという目的は達せられるものの、系統擾乱の発生、電力品質の悪化（電圧波形の歪み）の発生が生じる蓋然性が極めて高くなることが予想される。
【０００９】
また、近年、新たに提案された分散型電源で発電した電力を交流電力系統に送り返さない方式（特許文献２を参照）では、刻々と、自然環境に応じて電力供給量が変化するクリーンエネルギーに合わせて、需用電力の不足分を交流電力系統からの電力で刻々補充するので、交流電力系統に要求される供給電力量は、分散型電源の普及後においては、時間の経過、自然環境の変化に大きく依存し、１日の内でも大きく変化することとなることが予測される。その場合には、交流電力系統に電力を送り出す発電所の発電機の発電量制御の負担も大きく、さらに、最大需用電力に合わせて発電所および送電設備を構築しなければならず、分散型電源が広く普及したとしても、なお、電力事業者の負担は大きいものであることが予測される。そして、この負担は、交流電力系統からの電力を使用する需用者に対して最終的には、電力料金の値上げとして及び、将来は国家レベルでのエネルギー問題に発展すると危惧される。
【００１０】
そこで、本発明は、上述した課題を解決し、交流電力系統における系統擾乱の発生、電力品質の悪化の発生を引き起こすことなく、交流電力系統からの需用電力量を調整可能とし、直流電力を負荷に供給できる分散型電源配電システムおよびそれに用いるに好適な分散型電源装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
かかる課題を解決するため、本発明の分散型電源配電システムは、交流電力系統からの交流電力を力率改善して直流電力に変換して出力する力率改善整流回路と、自ら発電して直流電力を出力する分散型電源と、前記力率改善整流回路からの直流電力または前記分散型電源からの直流電力を選択する電力スイッチと、前記電力スイッチの出力側に並列接続される蓄電器および負荷に電力を供給するための配線と、を備えることとした。
【００１２】
このような構成を有する分散型電源配電システムでは、力率改善整流回路は、交流電力系統からの交流電力を力率改善して直流電力に変換して出力し、分散型電源は、自ら発電して直流電力を出力する。また、電力スイッチは、力率改善整流回路からの直流電力または分散型電源からの直流電力を選択し、電力スイッチの出力側に並列接続される蓄電器および負荷に電力を供給するための配線に直流電力を供給する。このようにして、蓄電器には交流電力系統または分散型電源からの電力のいずれかが蓄電され、配線を介して直流電力の使用が可能となる。この場合に、電力スイッチによって交流電力系統と分散型電源の系統とが完全に分離され両者の間で電力のやり取りは生じない。また、力率改善整流回路からの直流電力が電力スイッチによって選択されない場合には、交流電力系統から電力が供給されることはない。
【００１３】
かかる課題を解決するため、本発明の別の分散型電源配電システムは、交流電力系統からの交流電力を力率改善して直流電力に変換して出力する力率改善整流回路と、前記力率改善整流回路からの直流電力の切断または導通を行う電力スイッチと、前記電力スイッチの出力側に並列接続される蓄電器、負荷に電力を供給するための配線および自ら発電して直流電力を出力する分散型電源と、を備えることとした。
【００１４】
このような別の構成を有する分散型電源配電システムでは、力率改善整流回路は、交流電力系統からの交流電力を力率改善して直流電力に変換して出力する。また、電力スイッチは、力率改善整流回路からの直流電力の切断または導通を行い、導通の場合には、電力スイッチの出力側に並列接続される蓄電器および負荷に電力を供給するための配線に直流電力を供給する。また、分散型電源も電力スイッチの出力側に並列接続されおり、自ら発電する直流電力と力率改善整流回路からの直流電力とは、按分して蓄電器および負荷に供給される。また、力率改善整流回路からの直流電力が電力スイッチによって切断される場合には、交流電力系統から電力が供給されることはない。
【００１５】
また、かかる課題を解決するため、本発明の分散型電源装置は、交流電力系統からの交流電力を力率改善して直流電力に変換して出力する力率改善整流回路と、自ら発電して直流電力を出力する分散型電源と、前記力率改善整流回路からの直流電力または前記分散型電源からの直流電力を選択する電力スイッチと、前記電力スイッチの出力側に並列接続される蓄電器および電力出力端子と、を備えることとした。
【００１６】
このような構成を有する分散型電源装置では、力率改善整流回路は、交流電力系統からの交流電力を力率改善して直流電力に変換して出力し、分散型電源は、自ら発電して直流電力を出力する。また、電力スイッチは、力率改善整流回路からの直流電力または分散型電源からの直流電力を選択し、電力スイッチの出力側に並列接続される蓄電器および電力出力端子に直流電力を供給する。このようにして、蓄電器には交流電力系統または分散型電源からの電力のいずれかが蓄電され、電力出力端子を介して直流電力の使用が可能となる。この場合に、電力スイッチによって交流電力系統と分散型電源の系統とが完全に分離され両者の間で電力のやり取りは生じない。また、力率改善整流回路からの直流電力が電力スイッチによって選択されない場合には、交流電力系統から電力が供給されることはない。
【００１７】
また、かかる課題を解決するため、本発明の別の分散型電源装置は、交流電力系統からの交流電力を力率改善して直流電力に変換して出力する力率改善整流回路と、前記力率改善整流回路からの直流電力の切断または導通を行う電力スイッチと、前記電力スイッチの出力側に並列接続される蓄電器、自ら発電して直流電力を出力する分散型電源および電力出力端子と、を備えることとした。
【００１８】
このような別の構成を有する分散型電源配電装置では、力率改善整流回路は、交流電力系統からの交流電力を力率改善して直流電力に変換して出力する。また、電力スイッチは、力率改善整流回路からの直流電力の切断または導通を行い、導通の場合には、電力スイッチの出力側に並列接続される蓄電器および電力出力端子に直流電力を供給する。また、分散型電源も電力スイッチの出力側に並列接続されおり、自ら発電する直流電力と力率改善整流回路からの直流電力とは、按分して蓄電器および電力出力端子に供給される。また、力率改善整流回路からの直流電力が電力スイッチによって選択されない場合には、交流電力系統から電力が供給されることはない。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、交流電力系統における系統擾乱の発生、電力品質の悪化の発生を引き起こすことなく、交流電力系統からの需用電力量を調整可能とし、直流電力を負荷に供給できる分散型電源配電システムおよびそれに用いるに好適な分散型電源装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（第１実施形態の分散型電源配電システム）
【００２１】
図１に沿って第１実施形態の分散型電源配電システム５１について説明する。なお、交流電力系統４からの電力は、単相１００Ｖ（ボルト）、５０Ｈｚ（ヘルツ）の商用電力であるとし、また、屋内配線８を始めとする直流電力部における電圧は直流２００Ｖであるとして以下説明する。従って、図１の交流電力系統４からの配線、直流電力に変換後におけるすべての配線は２本の線で接続されるが、説明を簡単とするために図１では一本の線で記述する。
【００２２】
分散型電源配電システム５１は、分散型電源装置５０と屋内配線８とを具備している。分散型電源装置５０は、サーキットブレーカ５を介して入力される交流電力系統４からの電力を力率改善して直流電力に変換する力率改善整流回路６と、自ら発電して直流電力を出力する分散型電源１と、力率改善整流回路６からの直流電力または分散型電源１からの直流電力のいずれか一方を選択する電力スイッチ７と、電力スイッチ７の出力側に並列接続される蓄電器３と電力出力端子１０と、電力スイッチ７を制御する電源制御部２とを有している。また、屋内配線８は、分散型電源装置５０の電力出力端子１０に接続されており、１または複数の負荷に電力を供給することができるようになされている。
【００２３】
サーキットブレーカ５は、交流電力系統４からの電力を入力して、このサーキットブレーカ５を通過する電流量が規定値以上となった場合に切断する安全対策のための部材であり、一般的に、従来から用いられている部材である。力率改善整流回路６は、交流電力を直流電力に変換する整流作用を行うとともに、これに際して、力率を１とする力率改善作用を行うものである。分散型電源１は、自ら発電する発電装置であり、例えば、太陽光発電装置、風力発電装置、バイオマス発電装置、中小水力発電装置、地熱発電装置等のいずれか、または、これらのいずれかの組み合わせである。電力スイッチ７は、機械接点を有する継電器または半導体による電子的スイッチ素子である。蓄電器３は、例えば、鉛蓄電池、電気二重層コンデンサ等である。電源制御部２は、演算機能、判断機能、電力スイッチ７を制御する機能を有し、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ハードウエアロジック回路、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）等のいずれかを主なる構成要素とするものである。また、屋内配線８は、従来の同一敷地内の配線である。屋内配線８の末端部には、コンセント（図示せず）を有しており、負荷である、照明器１１、冷暖房装置（エアコン）１２、冷蔵庫１３、洗濯機１４、テレビジョン受信機（ＴＶ）１５、その他（その他の電気製品）１６等、の各々のプラグ（図示せず）を介して、これらの機器に電力を供給する。
【００２４】
力率改善整流回路６からの電流Ｉｂ２と分散型電源１からの電流Ｉｂ１とは、電力スイッチ７によって切り替えられ蓄電器３および電力出力端子１０に流入する。第１実施形態では、電力スイッチ７は、１回路２接点のＯＮ／ＯＦＦスイッチとされており、電源制御部２からの制御信号Ｓｗｓによって、２つの接点、接点Ｓｗ１または接点Ｓｗ２のいずれが接点Ｓｗｃを介して蓄電器３および電力出力端子１０に接続されるかが切り替えられる。すなわち、分散型電源１からの分散型電源出力電圧Ｖｇｏに応じた分散型電源電圧情報Ｓｖｇが、電源制御部２に入力され、分散型電源電圧情報Ｓｖｇに基づいて、制御信号Ｓｗｓが出力される。第１実施形態における要部について、以下にさらに詳細に説明する。
【００２５】
（分散型電源）
図２に沿って、分散型電源１について説明する。分散型電源１は、発電部２１と逆流防止ダイオード２２とを有する。発電部２１は、太陽光発電装置、風力発電装置、バイオマス発電装置、中小水力発電装置、地熱発電装置等のいずれであっても良い。これらの装置はいずれも、直流の電力を発電するものであり、その発電電力量が自然環境によって大きく左右される点に特徴がある。例えば、風力発電装置においては、その発電機構にＤＣモータを使用する場合には、その発電電圧Ｖｇの大きさは、風力を受ける風車の回転数に依存する。したがって、発電部２１を直接に蓄電器３に接続すると、風車の回転数が低い場合には、蓄電器３からの電力が発電部２１に逆流するのでこれを阻止するために、逆流防止ダイオード２２を用い、発電部２１の発電電力が十分でない場合には、逆流防止ダイオード２２をＯＦＦ（切断）する。そして、発電部２１の発電電力が十分である場合には、逆流防止ダイオード２２はＯＮ（導通）して、発電電力に応じて蓄電器３に充電電流を流し、屋内配線８に電力を供給する。ここで、蓄電器３の規定電圧が、２００Ｖとされている場合には、逆流防止ダイオード２２の順方向電圧Ｖｄ２２と発電部２１での発電電圧Ｖｇから順方向電圧Ｖｄ２２を引いた分散型電源出力電圧Ｖｇｏの値が２００Ｖを超える場合に逆流防止ダイオード２２は、ＯＮとなる。また、抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２は後述する分散型電源電圧情報Ｓｖｇを出力するための分圧器を構成する。
【００２６】
（力率改善整流回路）
力率改善整流回路６は、交流電力系統４から分散型電源配電システム５１に入力する電力負荷における力率を１に維持するとともに、屋内配線８および蓄電器３に所定の直流電圧Ｖｂを供給するものである。力率を１にすることによって、交流電力系統４から見ると、分散型電源配電システム５１は純抵抗負荷と見なせるものとなり、無効電力が発生することはなく、交流電力系統４に対する影響が最も穏やかのものとできる。力率を１とするには、交流電力系統４における交流電圧ＶＡＣの波形と交流電力系統４から分散型電源配電システム５１に流れ込む交流電流ＩＡＣの波形を相似形とすれば良いものである。
【００２７】
図３に沿って、力率改善整流回路６の一例について説明する。力率改善整流回路６は、全波整流回路２５、インダクタ２６、スイッチ素子２７、ダイオード２８、コンデンサ２９、力率改善回路制御部３０、計器用変流器３１、分圧器３３および分圧器３４を備える。全波整流回路２５は、整流ダイオードＤｉ１ないし整流ダイオードＤｉ４がブリッジ接続されている。そして、整流ダイオードＤｉ１と整流ダイオードＤｉ４との接続点および整流ダイオードＤｉ２と整流ダイオードＤｉ３との接続点が入力側として、サーキットブレーカ５に接続されている。また、整流ダイオードＤｉ１と整流ダイオードＤｉ３との接続点および整流ダイオードＤｉ２と整流ダイオードＤｉ４との接続点の各々が出力側としてインダクタ２６とスイッチ素子２７とに各々接続されている。インダクタ２６、スイッチ素子２７、ダイオード２８およびコンデンサ２９は、所謂、ステップアップ型スイッチングレギュレータを構成している。ここで、本実施形態においては、スイッチ素子２７としてＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｉｔｏｒ）を用いている。また、力率改善回路制御部３０は、このＭＯＳ−ＦＥＴのゲートを制御するゲート制御信号Ｓｒｃを出力するための演算回路であり、本実施形態においては、ＤＳＰを用いており、計器用変流器３１からの信号Ｓｉｒｉ、分圧器３３からの信号Ｓｖｒｉおよび分圧器３４からの信号Ｓｖｒｏに基づきＤＳＰで演算してゲート制御信号Ｓｒｃを得ている。
【００２８】
図４に示す各部の波形を参照して、力率改善整流回路６の作用を簡単に説明する。交流電力系統４からの交流電圧ＶＡＣ（図４（ａ）を参照）は、サーキットブレーカ５を介して全波整流回路２５に加えられる。そして、全波整流回路２５は、全波整流された１００Ｈｚの整流出力電圧Ｖｒｉを出力する（図４（ｂ）を参照）。スイッチ素子２７は、ゲート制御信号Ｓｒｃ（図４（ｄ）を参照）に基づいて、ＯＮとＯＦＦとを交互に繰り返す。なお、図４においては、説明を分かりやすくするために、このＯＮとＯＦＦとの周期は１０ｍＳｅｃの１／８倍程度に記載されているが、実際には１／１０００程度である。そして、スイッチ素子２７がＯＮである場合には、インダクタ２６にエネルギーを蓄えるようにインダクタンス電流Ｉｒｉを流し、スイッチ素子２７がＯＦＦである場合には、インダクタ２６からエネルギーを放出し、コンデンサ２９に電荷を供給するようにインダクタンス電流Ｉｒｉを流す（図４（ｃ）を参照）。図４（ｃ）の破線は、周期毎のインダクタンス電流Ｉｒｉのピーク値の包絡線であり、インダクタンス電流Ｉｒｉの包絡線が、整流出力電圧Ｖｒｉと相似形となるように、力率改善回路制御部３０によって制御されており、また、整流回路出力電圧Ｖｒｏ（図４（ｅ）を参照）の値も２００Ｖ近辺の若干高い所定電圧となるように制御されている。
【００２９】
力率改善回路制御部３０で行われる制御動作について簡単に説明する。力率改善回路制御部３０は、内部にＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調器、誤差増幅器、目標値となる基準信号発生器（いずれも、図示せず）を具備している。なお、力率改善回路制御部３０がＤＳＰを主要部として構成される本実施形態においては、これらの諸機能は、ＤＳＰで処理されるソフトウエアとして実現されている。力率改善回路制御部３０は、２系統のフィードバックサーボ系から成り立っている。第１のフィードバックサーボ系は、整流回路出力電圧Ｖｒｏを所定の値とするためのものであり、第２のフィードバックサーボ系は、整流出力電圧Ｖｒｉとインダクタンス電流Ｉｒｉの包絡線（平均電流と比例する）とを相似形とするためのものである。
【００３０】
まず、分圧器３４からの信号Ｓｖｒｏの値と基準信号発生器からの基準値との差を誤差増幅器で増幅した誤差信号を検出する。そして、分圧器３３からの信号Ｓｖｒｉの値と誤差信号との積の信号である積信号を演算する。そして、この積信号の値にインダクタンス電流Ｉｒｉが達するまで、ゲート制御信号ＳｒｃをハイレベルとしてＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴで形成されるスイッチ素子２７はＯＮとされる。このときにインダクタ２６に磁気エネルギーが蓄えられる。積信号の値にインダクタンス電流Ｉｒｉが達するとゲート制御信号ＳｒｃをローレベルとしてＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴで形成されるスイッチ素子２７をＯＦＦとされる。このときインダクタ２６蓄えられた磁気エネルギーが放出されコンデンサ２９を充電する。インダクタンス電流Ｉｒｉが零に達すると再びゲート制御信号ＳｒｃをハイレベルとしてＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴで形成されるスイッチ素子２７はＯＮとされる。以上を繰り返して力率改善された直流電力が力率改善整流回路６から得られる。なお、スイッチ素子２７が高周波のスイッチングを行うために生じるスイッチングノイズが交流電力系統４に漏れることがないようにラインフィルタ（図示せず）が交流電力系統４と力率改善整流回路６の入力側との間に挿入されている。
【００３１】
整流回路出力電圧Ｖｒｏの値が２００Ｖ近辺の蓄電器３の定格電圧よりも若干高い電圧に設定されている理由は、このようにすると屋内配線８に略一定の電圧を供給することができるとともに、蓄電器３が鉛蓄電池である場合には、この若干高めとした電圧、例えば、数Ｖ以内の電圧に応じて充電電流の大きさが定まるので、整流回路出力電圧Ｖｒｏの値の選択に応じて、力率改善整流回路６から蓄電器３に供給される充電電流の大きさを定めることができるものである。
【００３２】
（電力スイッチ）
電力スイッチ７は、機械式のリレーで形成することも可能であるが、この場合には、直流電流の通過経路を切り替えるために、接点でアーク放電を生じる可能性が非常に高くなる。そこで、本実施形態においては、ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴで構成される電子方式の電力スイッチとした。
【００３３】
図５に沿って電力スイッチ７の説明をする。電力スイッチ７は、ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４１とＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４２とインバータ４３とから構成されており、ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４１のドレインが、図１における接点Ｓｗ１に対応し、ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４２のドレインが、図１における接点Ｓｗ２に対応し、ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４１およびＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４２の各々のソースの接続点が、図１における接点Ｓｗｃに対応する。そして、ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４１のゲートには直接、制御信号Ｓｗｓが入力され、ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４２のゲートにはインバータ４３で反転された制御信号Ｓｗｓが入力されるようになされている。このような、電子的なスイッチは、制御信号Ｓｗｓがハイレベルである場合には、接点Ｓｗ１と接点Ｓｗｃ（ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４１のドレインとソースの間）が導通し、制御信号Ｓｗｓがローレベルである場合には、接点Ｓｗ２と接点Ｓｗｃ（ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４２のドレインとソースの間）が導通する。なお、ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４１およびＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４２の各々のドレインとソース間のダイオードは寄生ダイオード（ボディダイオード）であり、ＭＯＳ−ＦＥＴの製造の過程で通常、意図せずとも形成されてしまう素子である。
【００３４】
（電源制御部）
以上の各部の構成を基に、分散型電源配電システム５１の全体がどのように動作するかを、電源制御部２の動作を中心に説明する。電源制御部２はＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＭＥＭ（Ｍｅｍｏｒｙ）（いずれも、図示せず）を主要部として構成されている。そして、分散型電源配電システム５１の制御のためのＭＥＭに記憶されたソフトウエアをＣＰＵが順次処理することによって制御は行われる。所定時間毎の割り込み処理が処理のメインルーチンとされており、処理手順の主要部を以下に示す。
【００３５】
割り込みタイマーからの割り込み信号をトリガーとして、分散型電源電圧情報Ｓｖｇの値を読み込む（ステップＳＴ００１）。
次に、分散型電源電圧情報Ｓｖｇが所定値以上であるか未満であるかを判断する（ステップＳＴ００２）。
ここで、所定値Ｒｅｆ１の大きさは、（式１）で表される。なお、Ｄ１は、分圧器の分圧比（Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２））の値である。また、αは、屋内配線８の電圧を２００Ｖとする場合に、蓄電器３に充電するのに必要な積み上げの電圧の値であり、数Ｖ以内の範囲内の定数である。Ｖｄ２２は、逆流防止ダイオード２２の順方向電圧の値であり、電流の増加とともに、Ｖｄ２２の値は増加するので、本実施形態では、充電電流が過大に流れることを防止する作用をも有する。
（式１）
Ｒｅｆ１＝（２００＋α―Ｖｄ２２）×Ｄ１
分散型電源電圧情報Ｓｖｇが所定値以上である場合には、処理はステップＳＴ００３に移り、分散型電源電圧情報Ｓｖｇが所定値Ｒｅｆ１未満である場合には、処理はステップＳＴ００５に移る。
【００３６】
ステップＳＴ００３では、ステップＳＴ００２におけるＹｅｓの判断が連続してＮ回以上であるか、Ｎ回未満であるかを判断する。
Ｎ回以上である場合（Ｙｅｓ）には、制御信号Ｓｗｓをハイレベルとして（ステップＳＴ００４）、次に回数ｎをリセットし（ステップＳＴ００７）、処理は、再びステップＳＴ００１に戻る。
Ｎ回未満である場合（Ｎｏ）には、制御信号Ｓｗｓをそのままとして、処理は、再びステップＳＴ００１に戻る。
ここで、Ｎ回の回数を設定したのは、自然エネルギーによる発電電力量、負荷で消費される電力量の変動に応じて、頻繁に電力スイッチ７が切り替わるのを防止するためである。ここで、数値Ｎは、数秒から数１０時間の範囲に対応して、設定可能とされており、数値Ｎを長くする程、力率改善整流回路６からの直流電力の供給モードから、分散型電源１からの直流電力の供給モードに復帰するまでの時間が長く設定できる。
【００３７】
一方、ステップＳＴ００５では、ステップＳＴ００２におけるＮｏの判断が連続してＭ回以上であるか、Ｍ回未満であるかを判断する。
Ｍ回以上である場合（Ｙｅｓ）には、制御信号Ｓｗｓをローレベルとして（ステップＳＴ００６）、次に回数ｎをリセットし（ステップＳＴ００８）、処理は、再びステップＳＴ００１に戻る。
Ｍ回未満である場合（Ｎｏ）には、制御信号Ｓｗｓをそのままとして、処理は、再びステップＳＴ００１に戻る。ここで、Ｍ回の回数を設定したのは、自然エネルギーによる発電電力量、負荷で消費される電力量の変動によって、頻繁に電力スイッチ７が切り替わるのを防止するためである。ここで、数値Ｍは、数秒から数１０時間の範囲に対応して、設定可能とされており、数値Ｍを長くする程、分散型電源１からの直流電力の供給モードから、交流電力系統４から力率改善整流回路６を介しての直流電力の供給モードに復帰するまでの時間が長く設定できる。
【００３８】
以上の処理によって、分散型電源電圧情報Ｓｖｇが所定値Ｒｅｆ１未満である場合、すなわち、蓄電器３を充電するに十分な電力を分散型電源１が発電できない場合には、数値Ｍで最長時間が定められる所定時間は蓄電器３からの直流電力が屋内配線８を介して負荷に供給された後に、力率改善整流回路６から直流電力が供給され、蓄電器３を充電するとともに、屋内配線８を介して接続される種々の負荷に２００Ｖ付近の適正な電圧の直流電力を供給できる。すなわち、数値Ｍ、数値Ｎをどのような値とするかによって、力率改善整流回路６からの直流電力の供給モードから、分散型電源１からの直流電力の供給モードに復帰するまでの時間の設定ができる。また、分散型電源１からの直流電力の供給モードから、力率改善整流回路６からの直流電力の供給モードに復帰するまでの時間設定。分散型電源１からの直流電力が長期に低下する場合において、分散型電源１からも力率改善整流回路６からも電力を供給さず、蓄電器３から屋内配線８に電力を供給している時間の設定もできるものである。
【００３９】
この場合において、力率改善整流回路６から直流電力は蓄電器３および屋内配線８を介して接続される種々の負荷に供給されるが、分散型電源１に供給されることはなく、同様に、分散型電源１から直流電力は蓄電器３および屋内配線８を介して接続される種々の負荷に供給されるが、力率改善整流回路６に供給されることはない。すなわち、分散型電源１から交流電力系統４に供給される電力は存在しないので、交流電力系統４に電力を供給する発電所の同期発電機（図示せず）または、この交流電力系統４に接続される他の電力機器に系統擾乱、電圧波形歪みによる損失増加、その他の電圧波形歪みを原因とする動作機能不全の悪影響を与えることがない。また、交流電力系統からの電力によって作動する家庭電化製品または産業機器の多くは、内部に整流回路を備えるので、交流電力系統からの電力を整流するに際して整流回路のダイオードから、不要な電磁妨害となるスイッチングノイズが発生するものであったが、このように直流電力を供給する場合にはスイッチングノイズは発生しない。さらに、数値Ｍの値を適切に選択することによって交流電力系統４と分散型電源配電システム５１との接続が適切に行われ、交流電力系統４への影響も少ないものとできる。さらに、後述する交流電力系統４との通信機能を用いて、数値Ｍの値に基づき、予定する交流電力系統４からの電力消費の開始時間を知らせれば、さらに交流電力系統４への影響も少ないものとできる。
【００４０】
（第２実施形態の分散型電源配電システム）
上述した第１実施形態の分散型電源配電システム５１においては、電力スイッチ７を１回路２接点（Ｓｗ１，Ｓｗ２、Ｓｗｃ）のスイッチとして、電源制御部２は、力率改善整流回路６からの直流電力と分散型電源１からの直流電力のいずれか一方のみから蓄電器３または屋内配線８に直流電力を供給するように、または、逆流防止ダイオード２２の作用によって双方から電力を供給することなく、蓄電器３から屋内配線８に供給するように電力スイッチ７を制御したが、図７に示す第２実施形態の分散型電源配電システム６１においては、分散型電源１は蓄電器３および屋内配線８に常時接続されており、電源制御部２は、分散型電源１の発電する電力量に応じた直流電力および分散型電源１の発電する力率改善整流回路６からの直流電力を蓄電器３または屋内配線８に供給するように電力スイッチ６７を制御する。第１実施形態におけると同様の構成および作用を奏する部分には第１実施形態におけると同一の符号を付して説明を省略する。以下に第２実施形態の分散型電源配電システム６１および分散型電源装置６０についてより詳細に説明する。
【００４１】
電力スイッチ６７は、１回路１接点（Ｓｗ２、Ｓｗｃ）のスイッチであり、図５において、ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４１が設けられないものと同様の形態を有するものである。制御信号Ｓｗｓによって接点Ｓｗ２と接点ＳｗｃとのＯＮ／ＯＦＦが制御される。具体的な電源制御部２における制御は以下のように行われる。分散型電源電圧情報Ｓｖｇが、（式１）で表す所定値Ｒｅｆ１以上である場合には、接点Ｓｗ２と接点Ｓｗｃとは、ＯＦＦとされており、分散型電源電圧情報Ｓｖｇが、（式１）で表す所定値Ｒｅｆ１未満である場合には、接点Ｓｗ２と接点Ｓｗｃとは、ＯＮとされる。また、第１実施形態と同様に数値Ｍを用いてスイッチＯＮのタイミングを遅らし、数値Ｎを用いてスイッチＯＦＦのタイミングを遅らすことも可能である。
【００４２】
このようにして、分散型電源電圧情報Ｓｖｇが所定値Ｒｅｆ１未満である場合、すなわち、蓄電器３を充電するに十分な電力を分散型電源１が発電できない場合には、力率改善整流回路６から直流電力が供給され、蓄電器３を充電するとともに、屋内配線８を介して接続される種々の負荷に２００Ｖ付近の適正な電圧の直流電力を供給できる。
【００４３】
この場合において、力率改善整流回路６から直流電力は蓄電器３および屋内配線８を介して接続される種々の負荷に供給されるが、分散型電源１に供給されることはない。また、同様に、分散型電源１から直流電力は蓄電器３および屋内配線８を介して接続される種々の負荷に供給されるが、力率改善整流回路６に供給されることはない。すなわち、分散型電源１から交流電力系統４に供給される電力は存在しないので、交流電力系統４に電力を供給する発電所の同期発電機または、この交流電力系統４に接続される他の電力機器に系統擾乱、電圧波形歪みによる損失増加、その他の電圧波形歪みを原因とする動作機能不全の悪影響を与えることがない。
【００４４】
（第３実施形態の分散型電源配電システム）
上述した第１実施形態の分散型電源配電システム５１においては、電力スイッチ７を、上述した第２実施形態の分散型電源配電システム６１においては、電力スイッチ６７を設けて電力の切り替えを行ったが、必ずしも、独立の部品として、電力スイッチを構成する必要はない。すなわち、図２における逆流防止ダイオード２２および図３におけるダイオード２８を電力スイッチとして用いることができる。このような電力スイッチによって、力率改善整流回路６からの直流電力と分散型電源１からの直流電力との通過電力量の割合が制御される。以下、図８に沿って第３実施形態の分散型電源配電システム７１および分散型電源装置７０について説明するが、第１実施形態におけると同様の構成および作用を奏する部分には第１実施形態におけると同一の符号を付して説明を省略する。
【００４５】
図８に沿ってまず図２に示す分散型電源１の発電量が大きい場合の説明をする。この場合には、分散型電源出力電圧Ｖｇｏ（図２を参照）の電圧の値は高くなり、蓄電器３が鉛蓄電池である場合には、大きな充電電流が蓄電器３に流れ蓄電器３の電圧の値は若干上昇し、屋内配線８に供給される電圧の値もそれとともに上昇する。この場合に整流回路出力電圧Ｖｒｏ（図３を参照）の電圧の値は、分散型電源出力電圧Ｖｇｏの電圧の値に較べて低くなる。力率改善回路制御部３０が構成の一部をなすフィードバックサーボ系の作用の結果として、ゲート制御信号Ｓｒｃの時比率は、自動的に零となり、ダイオード２８はＯＦＦとなって、ダイオード２８を通過する通過電力量は零となる。
【００４６】
次に、分散型電源１の発電量が小さい場合の説明をする。この場合には、分散型電源出力電圧Ｖｇｏの電圧の値は低くなる。そして、蓄電器３の直流電圧Ｖｂ（屋内配線８に供給される電圧でもある）の電圧の値よりも分散型電源出力電圧Ｖｇｏの電圧の値が低くなり、逆流防止ダイオード２２はＯＦＦとなって、逆流防止ダイオード２２を通過する通過電力量は零となる。そして、この場合には、力率改善整流回路６からのみ電力が供給されることとなる。
【００４７】
第３実施形態によれば、逆流防止ダイオード２２およびダイオード２８が上述した電力スイッチ７または電力スイッチ６７と同様の機能を有することとなって、分散型電源１からの発電電力量に応じて、分散型電源１から直流電力が供給されるか、力率改善整流回路６から直流電力が供給されるかが切り替えられる。しかしながら、このままでは、切り替えのタイミングを遅らす機能は有していない。そこで、力率改善回路制御部３０にタイマー機能を持たせ、一旦分散型電源１からの電力の供給が開始すると所定時間後でなければ、力率改善整流回路６から直流電力の供給が開始しないようにすることもできる。いずれにしても、交流電力系統４に電力を供給する発電所の同期発電機または、この交流電力系統４に接続される他の電力機器に系統擾乱、電圧波形歪みによる損失増加、その他の電圧波形歪みを原因とする動作機能不全の悪影響を与えることがない。
【００４８】
（分散型電源の他の実施形態）
以下に上述した第１実施形態ないし第３実施形態の様々な変形例の一部について説明する。上述した第１実施形態では、逆流防止ダイオード２２を用いて分散型電源１への電流の逆流を防止したが、逆流防止ダイオード２２を用いることなく、計器用変流器ＣＴまたは電流検出用の抵抗（いずれも図示せず）を用いて、分散型電源１への入出力電流を監視し、この入出力電流に応じた入出力電流信号を分散型電源電圧情報Ｓｖｇに替えて用い、入出力電流信号が蓄電器３から分散型電源１への逆流電流を検出する場合には、電力スイッチ７は、ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４１をＯＦＦとするように制御することもできる。
【００４９】
また、電力スイッチ７は、１回路２接点（Ｓｗ１、Ｓｗ２、Ｓｗｃ）または１回路１接点（Ｓｗ１、Ｓｗｃ）のスイッチとして説明をしたが、１回路２接点のスイッチにおいては、接点Ｓｗ１または接点Ｓｗ２のいずれにも接点Ｓｗｃが接触しないものとしても良い。この場合には、電力出力端子１０からの直流電力はすべて蓄電器３から出力されることとなり、分散型電源１からの発電量が少ない場合でも、必ずしも力率改善整流回路６から電力を取らないこととして交流電力系統４への負荷を低減することができる。
【００５０】
また、上述した第１実施形態ないし第３実施形態においては、分散型電源１からの発電電力を処理することなく、逆流防止ダイオード２２を介して蓄電器３および屋内配線８に供給することとしたが、蓄電器３として電気二重層コンデンサを用いる場合には、屋内配線８に供給される電圧が定まらない場合があり得る。また、分散型電源１からの発電電圧が、屋内配線８の規定電圧である２００Ｖ付近より低い場合においては、分散型電源１からの発電電力は全く利用されないこととなる。このような事態を避けるために、分散型電源１の発電部２１と蓄電器３との間にＤＣ−ＤＣコンバータ部（図示せず）を介することが望ましい。このような構成を採用すれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ部の出力電圧を任意の値とできるので、分散型電源１からの出力電圧を常時、２００Ｖ付近の電圧に設定することができる。このような構成を採用すれば、分散型電源１からの発電電力を有効に利用できるとともに、蓄電器３が電気二重層コンデンサである場合においても、屋内配線８から供給する電圧を所定電圧とすることができる。
【００５１】
また、力率改善整流回路６として、ステップアップ型スイッチングレギュレータを用いたが、屋内配線８における規定電圧を交流電力系統４からの交流電圧ＶＡＣのピーク電圧の値よりも低くする場合には、ステップダウン型スイッチングレギュレータ（図示せず）によって力率改善整流回路を構成することができる。さらに、５０Ｈｚに対して十分な力率改善効果を有するインダクタンスを交流入力側に入れて、コンデンサインプット型の整流回路が有する電圧ピーク付近での突入電流を低減して力率を改善するようにしても良い。
【００５２】
また、図９に示すような構成において、分散型電源装置８０および分散型電源配電システム８１を構成する散型電源９１は、上述したＤＣ−ＤＣコンバータを具備するものとし、蓄電器３に流れる充電電流に応じた信号Ｓｉｂを検出して、充電電流が所定の値となるように、信号Ｓｓｂによって分散型電源出力電圧Ｖｇｏ（図２を参照）を制御しても良いものである。また、蓄電器３に流れる充電電流に応じた信号Ｓｉｂを検出して、充電電流が所定の値となるように、信号Ｓｃｄによって力率改善整流回路８６の整流回路出力電圧Ｖｒｏ（図３を参照）を制御するようにしても良いものである。このようにすれば、鉛蓄電池等である蓄電器３に安定した充電電流が供給できるとともに蓄電池の電圧Ｖｂも安定し、屋内配線８に安定した電圧を供給できる。
【００５３】
さらに、鉛蓄電池の電解液の比重に応じた信号Ｓｐｂまたは、蓄電器３の直流電圧Ｖｂの値を検出して蓄積電力量を推定して、この推定された蓄積電力量に応じて分散型電源９１の分散型電源出力電圧Ｖｇｏを信号Ｓｃｂによって制御し、あるいは力率改善整流回路８６の整流回路出力電圧Ｖｒｏを信号Ｓｃｄによって制御するようにしても良いものである。なお、信号Ｓｃｂ、信号Ｓｃｄは、図９に示す通信機能付制御部８２から出力される。
【００５４】
また、交流電力系統４に電力を供給する発電所における発電電力の平均的な利用のために、比較的安価な深夜電力を用いて蓄電器３に充電するために、上述した種々の態様の電力スイッチによって、例えば、深夜の所定時刻に力率改善整流回路からの直流電力が導通するように制御されるようにしても良いものである。
【００５５】
また、さらに、通信機能付制御部８２は、交流電力系統４に電力を供給する発電所に、各自の分散型電源配電システムの状況を需用予測として知らせ、発電所での発電電力の管理を可能とするようにしても良いものである。発電所に知らせる需用予測は、屋内配線８に接続されている負荷における電力消費量、分散型電源９１からの電力供給量、分散型電源９１の性質に基づく発電予測量（例えば、明日の風力、日照時間等）、力率改善整流回路８６からの供給電力、現在の蓄電器３における蓄積電力量等から計算されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】第１実施形態の分散型電源配電システムの構成図である。
【図２】実施形態の分散型電源の構成図である。
【図３】実施形態の力率改善整流回路の構成図である。
【図４】実施形態の力率改善整流回路の動作原理を説明する図である。
【図５】実施形態の電力スイッチの構成図である。
【図６】第１実施形態の分散型電源配電システムの動作のフローチャートである。
【図７】第２実施形態の分散型電源配電システムの構成図である。
【図８】第３実施形態の分散型電源配電システムの構成図である。
【図９】他の実施形態の分散型電源配電システムの構成図である。
【図１０】背景技術を説明する図である。
【符号の説明】
【００５７】
１、９１ 分散型電源、２ 電源制御部、３ 蓄電器、４ 交流電力系統、５ サーキットブレーカ、６、８６ 力率改善整流回路、７、６７ 電力スイッチ、８ 屋内配線、１０ 電力出力端子、１１ 照明器、１３ 冷蔵庫、１４ 洗濯機、２１ 発電部、２２ 逆流防止ダイオード、２５ 全波整流回路、２６ インダクタ、２７ スイッチ素子、２８ ダイオード、２９ コンデンサ、３０ 力率改善回路制御部、３１ 計器用変流器、３３ 分圧器、３４ 分圧器、４３ インバータ、５０、６０、７０、８０ 分散型電源装置、５１、６１、７１、８１ 分散型電源配電システム、８２ 通信機能付制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分散型電源配電システムおよび分散型電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽光発電、風力発電、燃料電池発電などによる分散型電源が注目されている。これらの分散型電源から発電される電力は、所謂、クリーンエネルギーないしは新エネルギーと称されるものである。国家の制度支援もあって、分散型電源による発電量は、今後数年の間に、太陽光発電では現在の約１０倍の１１８万ｋＷ（キロ・ワット）、風力発電では現在の約２３倍の１３４万ｋＷに増加すると予想されている。そして、電気事業者による新エネルギー等の利用に関する特別措置法（ＲＰＳ法）によれば、２０１０年度の新エネルギー（太陽光発電、風力発電、バイオマス発電、中小水力発電、地熱発電）による発電量は、わが国の全発電量約８７１０億ｋＷの約１．４％である１２２億ｋＷに増大することとされている。
【０００３】
このような、分散型電源からの発電電力は、同期発電機を用いた従来の交流電力系統（商用電源）と連系する方式が一般的に採用されている。すなわち、分散型電源によって発電される電力の余剰分は交流電力系統へ送られている。このようにして、分散型電源からの余剰電力を有効に利用することが可能となされている。そのために、分散型電源が、例えば、太陽光発電による場合であれば、太陽光発電で得られた直流電力を、交流電力系統の正弦波の電圧波形と、振幅および位相が揃った交流電力に変換するインバータが用いられている。このような、インバータは、交流電力系統および屋内配線に並列に接続され、分散型電源からの余剰電力を交流電力系統へ送り出すとともに、屋内配線に接続される交流で働く電気機器に電力を供給している（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
特許文献１によれば、分散型電源の一種である太陽光発電システムの基本的部分は、図１０に示すように構成されている。太陽電池１０１からの電力は、インバータ１０２において、直流から交流に変換され、通常はＯＮ（導通状態）となっているスイッチ１０４を介して交流電力系統１１０に接続されている。負荷１０７は交流電源によって動作する一般的な家庭内または工場内の機器である。同期追従制御回路１１１は、計器用変圧器ＰＴから得た交流電力系統１１０の交流電圧ＶＡＣと計器用変流器ＣＴから得た交流電流ＩＡＣとをその入力信号とし、交流電圧ＶＡＣに同期した交流電圧と力率１の交流電流とを形成するように演算された所要の指令信号ＳＩＮをインバータ１０２に与える。このようにして、インバータ１０２から出力される交流電力が負荷１０７で消費される電力量を上回る場合には、自動的に交流電力系統１１０に電力が送られる。また、負荷１０７で消費される電力量が分散型電源である太陽電池１０１によって供給される電力量よりも大きい場合には、自動的に交流電力系統１１０から負荷１０７に電力が供給される。
【０００５】
しかしながら、交流電力系統１１０と同じ電圧波形を作り出すこのようなインバータ１０２の設計は難しく高価なものであった。そのために、高性能のインバータが常に用いられるとは限らず、インバータ１０２から交流電力系統１１０に対して送り出される品質が悪い電力の量が大量となる場合には、交流電力系統において系統擾乱（Ｐｏｗｅｒ Ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ：ＰＤ）を引き起こし、交流電力系統からの電力の供給に障害が生じてしまう虞があった。また、系統擾乱には至らない場合であっても、交流電力系統１１０における電圧の波形歪みを生じ、交流電力系統１１０に接続される他の機器へ悪影響を与える場合もあり得た。
【０００６】
このような問題を改善するものとして、近年、交流電力系統からの交流電力を直流電力に変換して、直流電力を発電する分散型電源からの電力の不足分を交流電力系統からの電力で刻々補充する方式が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。このような方式を採用する場合には、分散型電源からの余剰直流電力を交流電力系統に対して送り出すことがないので、上述した系統擾乱、交流電力系統における電圧の波形歪みの問題は生じない。
【０００７】
また、負荷となる電気機器、例えば、一般家庭では、家庭電化製品であり、工場内であれば、電動機等をはじめとする産業機器は、近年、半導体装置による電子制御が多く取り入れられ、家庭電化製品または産業機器の内部に整流回路を備え、交流電力系統からの交流電力を一旦直流電力に変換して用いることが、主流の技術傾向となっており、家庭電化製品の多くが、すでに直流電源に対応可能となっている。
【特許文献１】特開平１０―３１５２５号公報
【特許文献２】特開２００５−２２９７２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
分散型電源に対する期待は、良好なる地球環境の維持の点から極めて高く、クリーンエネルギーの開発、クリーンエネルギーに基づく電力供給をさらに増大することが要望されている。しかしながら、分散型電源で発電して余剰となった電力を刻々と交流電力系統に送り出す従来の方式（特許文献１を参照）では、発電電力の不足量を分散型電源で補うという目的は達せられるものの、系統擾乱の発生、電力品質の悪化（電圧波形の歪み）の発生が生じる蓋然性が極めて高くなることが予想される。
【０００９】
また、近年、新たに提案された分散型電源で発電した電力を交流電力系統に送り返さない方式（特許文献２を参照）では、刻々と、自然環境に応じて電力供給量が変化するクリーンエネルギーに合わせて、需用電力の不足分を交流電力系統からの電力で刻々補充するので、交流電力系統に要求される供給電力量は、分散型電源の普及後においては、時間の経過、自然環境の変化に大きく依存し、１日の内でも大きく変化することとなることが予測される。その場合には、交流電力系統に電力を送り出す発電所の発電機の発電量制御の負担も大きく、さらに、最大需用電力に合わせて発電所および送電設備を構築しなければならず、分散型電源が広く普及したとしても、なお、電力事業者の負担は大きいものであることが予測される。そして、この負担は、交流電力系統からの電力を使用する需用者に対して最終的には、電力料金の値上げとして及び、将来は国家レベルでのエネルギー問題に発展すると危惧される。
【００１０】
そこで、本発明は、上述した課題を解決し、交流電力系統における系統擾乱の発生、電力品質の悪化の発生を引き起こすことなく、交流電力系統からの需用電力量を調整可能とし、直流電力を負荷に供給できる分散型電源配電システムおよびそれに用いるに好適な分散型電源装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
かかる課題を解決するため、本発明の分散型電源配電システムは、交流電力系統からの交流電力を力率改善して直流電力に変換して出力する力率改善整流回路と、自ら発電して直流電力を出力する分散型電源と、前記力率改善整流回路からの直流電力または前記分散型電源からの直流電力を選択する電力スイッチと、前記電力スイッチの出力側に並列接続される蓄電器および負荷に電力を供給するための配線と、を備えることとした。
【００１２】
このような構成を有する分散型電源配電システムでは、力率改善整流回路は、交流電力系統からの交流電力を力率改善して直流電力に変換して出力し、分散型電源は、自ら発電して直流電力を出力する。また、電力スイッチは、力率改善整流回路からの直流電力または分散型電源からの直流電力を選択し、電力スイッチの出力側に並列接続される蓄電器および負荷に電力を供給するための配線に直流電力を供給する。このようにして、蓄電器には交流電力系統または分散型電源からの電力のいずれかが蓄電され、配線を介して直流電力の使用が可能となる。この場合に、電力スイッチによって交流電力系統と分散型電源の系統とが完全に分離され両者の間で電力のやり取りは生じない。また、力率改善整流回路からの直流電力が電力スイッチによって選択されない場合には、交流電力系統から電力が供給されることはない。
【００１３】
かかる課題を解決するため、本発明の別の分散型電源配電システムは、交流電力系統からの交流電力を力率改善して直流電力に変換して出力する力率改善整流回路と、前記力率改善整流回路からの直流電力の切断または導通を行う電力スイッチと、前記電力スイッチの出力側に並列接続される蓄電器、負荷に電力を供給するための配線および自ら発電して直流電力を出力する分散型電源と、を備えることとした。
【００１４】
このような別の構成を有する分散型電源配電システムでは、力率改善整流回路は、交流電力系統からの交流電力を力率改善して直流電力に変換して出力する。また、電力スイッチは、力率改善整流回路からの直流電力の切断または導通を行い、導通の場合には、電力スイッチの出力側に並列接続される蓄電器および負荷に電力を供給するための配線に直流電力を供給する。また、分散型電源も電力スイッチの出力側に並列接続されおり、自ら発電する直流電力と力率改善整流回路からの直流電力とは、按分して蓄電器および負荷に供給される。また、力率改善整流回路からの直流電力が電力スイッチによって切断される場合には、交流電力系統から電力が供給されることはない。
【００１５】
また、かかる課題を解決するため、本発明の分散型電源装置は、交流電力系統からの交流電力を力率改善して直流電力に変換して出力する力率改善整流回路と、自ら発電して直流電力を出力する分散型電源と、前記力率改善整流回路からの直流電力または前記分散型電源からの直流電力を選択する電力スイッチと、前記電力スイッチの出力側に並列接続される蓄電器および電力出力端子と、を備えることとした。
【００１６】
このような構成を有する分散型電源装置では、力率改善整流回路は、交流電力系統からの交流電力を力率改善して直流電力に変換して出力し、分散型電源は、自ら発電して直流電力を出力する。また、電力スイッチは、力率改善整流回路からの直流電力または分散型電源からの直流電力を選択し、電力スイッチの出力側に並列接続される蓄電器および電力出力端子に直流電力を供給する。このようにして、蓄電器には交流電力系統または分散型電源からの電力のいずれかが蓄電され、電力出力端子を介して直流電力の使用が可能となる。この場合に、電力スイッチによって交流電力系統と分散型電源の系統とが完全に分離され両者の間で電力のやり取りは生じない。また、力率改善整流回路からの直流電力が電力スイッチによって選択されない場合には、交流電力系統から電力が供給されることはない。
【００１７】
また、かかる課題を解決するため、本発明の別の分散型電源装置は、交流電力系統からの交流電力を力率改善して直流電力に変換して出力する力率改善整流回路と、前記力率改善整流回路からの直流電力の切断または導通を行う電力スイッチと、前記電力スイッチの出力側に並列接続される蓄電器、自ら発電して直流電力を出力する分散型電源および電力出力端子と、を備えることとした。
【００１８】
このような別の構成を有する分散型電源配電装置では、力率改善整流回路は、交流電力系統からの交流電力を力率改善して直流電力に変換して出力する。また、電力スイッチは、力率改善整流回路からの直流電力の切断または導通を行い、導通の場合には、電力スイッチの出力側に並列接続される蓄電器および電力出力端子に直流電力を供給する。また、分散型電源も電力スイッチの出力側に並列接続されおり、自ら発電する直流電力と力率改善整流回路からの直流電力とは、按分して蓄電器および電力出力端子に供給される。また、力率改善整流回路からの直流電力が電力スイッチによって選択されない場合には、交流電力系統から電力が供給されることはない。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、交流電力系統における系統擾乱の発生、電力品質の悪化の発生を引き起こすことなく、交流電力系統からの需用電力量を調整可能とし、直流電力を負荷に供給できる分散型電源配電システムおよびそれに用いるに好適な分散型電源装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（第１実施形態の分散型電源配電システム）
【００２１】
図１に沿って第１実施形態の分散型電源配電システム５１について説明する。なお、交流電力系統４からの電力は、単相１００Ｖ（ボルト）、５０Ｈｚ（ヘルツ）の商用電力であるとし、また、屋内配線８を始めとする直流電力部における電圧は直流２００Ｖであるとして以下説明する。従って、図１の交流電力系統４からの配線、直流電力に変換後におけるすべての配線は２本の線で接続されるが、説明を簡単とするために図１では一本の線で記述する。
【００２２】
分散型電源配電システム５１は、分散型電源装置５０と屋内配線８とを具備している。分散型電源装置５０は、サーキットブレーカ５を介して入力される交流電力系統４からの電力を力率改善して直流電力に変換する力率改善整流回路６と、自ら発電して直流電力を出力する分散型電源１と、力率改善整流回路６からの直流電力または分散型電源１からの直流電力のいずれか一方を選択する電力スイッチ７と、電力スイッチ７の出力側に並列接続される蓄電器３と電力出力端子１０と、電力スイッチ７を制御する電源制御部２とを有している。また、屋内配線８は、分散型電源装置５０の電力出力端子１０に接続されており、１または複数の負荷に電力を供給することができるようになされている。
【００２３】
サーキットブレーカ５は、交流電力系統４からの電力を入力して、このサーキットブレーカ５を通過する電流量が規定値以上となった場合に切断する安全対策のための部材であり、一般的に、従来から用いられている部材である。力率改善整流回路６は、交流電力を直流電力に変換する整流作用を行うとともに、これに際して、力率を１とする力率改善作用を行うものである。分散型電源１は、自ら発電する発電装置であり、例えば、太陽光発電装置、風力発電装置、バイオマス発電装置、中小水力発電装置、地熱発電装置等のいずれか、または、これらのいずれかの組み合わせである。電力スイッチ７は、機械接点を有する継電器または半導体による電子的スイッチ素子である。蓄電器３は、例えば、鉛蓄電池、電気二重層コンデンサ等である。電源制御部２は、演算機能、判断機能、電力スイッチ７を制御する機能を有し、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ハードウエアロジック回路、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）等のいずれかを主なる構成要素とするものである。また、屋内配線８は、従来の同一敷地内の配線である。屋内配線８の末端部には、コンセント（図示せず）を有しており、負荷である、照明器１１、冷暖房装置（エアコン）１２、冷蔵庫１３、洗濯機１４、テレビジョン受信機（ＴＶ）１５、その他（その他の電気製品）１６等、の各々のプラグ（図示せず）を介して、これらの機器に電力を供給する。
【００２４】
力率改善整流回路６からの電流Ｉｂ２と分散型電源１からの電流Ｉｂ１とは、電力スイッチ７によって切り替えられ蓄電器３および電力出力端子１０に流入する。第１実施形態では、電力スイッチ７は、１回路２接点のＯＮ／ＯＦＦスイッチとされており、電源制御部２からの制御信号Ｓｗｓによって、２つの接点、接点Ｓｗ１または接点Ｓｗ２のいずれが接点Ｓｗｃを介して蓄電器３および電力出力端子１０に接続されるかが切り替えられる。すなわち、分散型電源１からの分散型電源出力電圧Ｖｇｏに応じた分散型電源電圧情報Ｓｖｇが、電源制御部２に入力され、分散型電源電圧情報Ｓｖｇに基づいて、制御信号Ｓｗｓが出力される。第１実施形態における要部について、以下にさらに詳細に説明する。
【００２５】
（分散型電源）
図２に沿って、分散型電源１について説明する。分散型電源１は、発電部２１と逆流防止ダイオード２２とを有する。発電部２１は、太陽光発電装置、風力発電装置、バイオマス発電装置、中小水力発電装置、地熱発電装置等のいずれであっても良い。これらの装置はいずれも、直流の電力を発電するものであり、その発電電力量が自然環境によって大きく左右される点に特徴がある。例えば、風力発電装置においては、その発電機構にＤＣモータを使用する場合には、その発電電圧Ｖｇの大きさは、風力を受ける風車の回転数に依存する。したがって、発電部２１を直接に蓄電器３に接続すると、風車の回転数が低い場合には、蓄電器３からの電力が発電部２１に逆流するのでこれを阻止するために、逆流防止ダイオード２２を用い、発電部２１の発電電力が十分でない場合には、逆流防止ダイオード２２をＯＦＦ（切断）する。そして、発電部２１の発電電力が十分である場合には、逆流防止ダイオード２２はＯＮ（導通）して、発電電力に応じて蓄電器３に充電電流を流し、屋内配線８に電力を供給する。ここで、蓄電器３の規定電圧が、２００Ｖとされている場合には、逆流防止ダイオード２２の順方向電圧Ｖｄ２２と発電部２１での発電電圧Ｖｇから順方向電圧Ｖｄ２２を引いた分散型電源出力電圧Ｖｇｏの値が２００Ｖを超える場合に逆流防止ダイオード２２は、ＯＮとなる。また、抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２は後述する分散型電源電圧情報Ｓｖｇを出力するための分圧器を構成する。
【００２６】
（力率改善整流回路）
力率改善整流回路６は、交流電力系統４から分散型電源配電システム５１に入力する電力負荷における力率を１に維持するとともに、屋内配線８および蓄電器３に所定の直流電圧Ｖｂを供給するものである。力率を１にすることによって、交流電力系統４から見ると、分散型電源配電システム５１は純抵抗負荷と見なせるものとなり、無効電力が発生することはなく、交流電力系統４に対する影響が最も穏やかのものとできる。力率を１とするには、交流電力系統４における交流電圧ＶＡＣの波形と交流電力系統４から分散型電源配電システム５１に流れ込む交流電流ＩＡＣの波形を相似形とすれば良いものである。
【００２７】
図３に沿って、力率改善整流回路６の一例について説明する。力率改善整流回路６は、全波整流回路２５、インダクタ２６、スイッチ素子２７、ダイオード２８、コンデンサ２９、力率改善回路制御部３０、計器用変流器３１、分圧器３３および分圧器３４を備える。全波整流回路２５は、整流ダイオードＤｉ１ないし整流ダイオードＤｉ４がブリッジ接続されている。そして、整流ダイオードＤｉ１と整流ダイオードＤｉ４との接続点および整流ダイオードＤｉ２と整流ダイオードＤｉ３との接続点が入力側として、サーキットブレーカ５に接続されている。また、整流ダイオードＤｉ１と整流ダイオードＤｉ３との接続点および整流ダイオードＤｉ２と整流ダイオードＤｉ４との接続点の各々が出力側としてインダクタ２６とスイッチ素子２７とに各々接続されている。インダクタ２６、スイッチ素子２７、ダイオード２８およびコンデンサ２９は、所謂、ステップアップ型スイッチングレギュレータを構成している。ここで、本実施形態においては、スイッチ素子２７としてＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｉｔｏｒ）を用いている。また、力率改善回路制御部３０は、このＭＯＳ−ＦＥＴのゲートを制御するゲート制御信号Ｓｒｃを出力するための演算回路であり、本実施形態においては、ＤＳＰを用いており、計器用変流器３１からの信号Ｓｉｒｉ、分圧器３３からの信号Ｓｖｒｉおよび分圧器３４からの信号Ｓｖｒｏに基づきＤＳＰで演算してゲート制御信号Ｓｒｃを得ている。
【００２８】
図４に示す各部の波形を参照して、力率改善整流回路６の作用を簡単に説明する。交流電力系統４からの交流電圧ＶＡＣ（図４（ａ）を参照）は、サーキットブレーカ５を介して全波整流回路２５に加えられる。そして、全波整流回路２５は、全波整流された１００Ｈｚの整流出力電圧Ｖｒｉを出力する（図４（ｂ）を参照）。スイッチ素子２７は、ゲート制御信号Ｓｒｃ（図４（ｄ）を参照）に基づいて、ＯＮとＯＦＦとを交互に繰り返す。なお、図４においては、説明を分かりやすくするために、このＯＮとＯＦＦとの周期は１０ｍＳｅｃの１／８倍程度に記載されているが、実際には１／１０００程度である。そして、スイッチ素子２７がＯＮである場合には、インダクタ２６にエネルギーを蓄えるようにインダクタンス電流Ｉｒｉを流し、スイッチ素子２７がＯＦＦである場合には、インダクタ２６からエネルギーを放出し、コンデンサ２９に電荷を供給するようにインダクタンス電流Ｉｒｉを流す（図４（ｃ）を参照）。図４（ｃ）の破線は、周期毎のインダクタンス電流Ｉｒｉのピーク値の包絡線であり、インダクタンス電流Ｉｒｉの包絡線が、整流出力電圧Ｖｒｉと相似形となるように、力率改善回路制御部３０によって制御されており、また、整流回路出力電圧Ｖｒｏ（図４（ｅ）を参照）の値も２００Ｖ近辺の若干高い所定電圧となるように制御されている。
【００２９】
力率改善回路制御部３０で行われる制御動作について簡単に説明する。力率改善回路制御部３０は、内部にＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調器、誤差増幅器、目標値となる基準信号発生器（いずれも、図示せず）を具備している。なお、力率改善回路制御部３０がＤＳＰを主要部として構成される本実施形態においては、これらの諸機能は、ＤＳＰで処理されるソフトウエアとして実現されている。力率改善回路制御部３０は、２系統のフィードバックサーボ系から成り立っている。第１のフィードバックサーボ系は、整流回路出力電圧Ｖｒｏを所定の値とするためのものであり、第２のフィードバックサーボ系は、整流出力電圧Ｖｒｉとインダクタンス電流Ｉｒｉの包絡線（平均電流と比例する）とを相似形とするためのものである。
【００３０】
まず、分圧器３４からの信号Ｓｖｒｏの値と基準信号発生器からの基準値との差を誤差増幅器で増幅した誤差信号を検出する。そして、分圧器３３からの信号Ｓｖｒｉの値と誤差信号との積の信号である積信号を演算する。そして、この積信号の値にインダクタンス電流Ｉｒｉが達するまで、ゲート制御信号ＳｒｃをハイレベルとしてＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴで形成されるスイッチ素子２７はＯＮとされる。このときにインダクタ２６に磁気エネルギーが蓄えられる。積信号の値にインダクタンス電流Ｉｒｉが達するとゲート制御信号ＳｒｃをローレベルとしてＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴで形成されるスイッチ素子２７をＯＦＦとされる。このときインダクタ２６蓄えられた磁気エネルギーが放出されコンデンサ２９を充電する。インダクタンス電流Ｉｒｉが零に達すると再びゲート制御信号ＳｒｃをハイレベルとしてＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴで形成されるスイッチ素子２７はＯＮとされる。以上を繰り返して力率改善された直流電力が力率改善整流回路６から得られる。なお、スイッチ素子２７が高周波のスイッチングを行うために生じるスイッチングノイズが交流電力系統４に漏れることがないようにラインフィルタ（図示せず）が交流電力系統４と力率改善整流回路６の入力側との間に挿入されている。
【００３１】
整流回路出力電圧Ｖｒｏの値が２００Ｖ近辺の蓄電器３の定格電圧よりも若干高い電圧に設定されている理由は、このようにすると屋内配線８に略一定の電圧を供給することができるとともに、蓄電器３が鉛蓄電池である場合には、この若干高めとした電圧、例えば、数Ｖ以内の電圧に応じて充電電流の大きさが定まるので、整流回路出力電圧Ｖｒｏの値の選択に応じて、力率改善整流回路６から蓄電器３に供給される充電電流の大きさを定めることができるものである。
【００３２】
（電力スイッチ）
電力スイッチ７は、機械式のリレーで形成することも可能であるが、この場合には、直流電流の通過経路を切り替えるために、接点でアーク放電を生じる可能性が非常に高くなる。そこで、本実施形態においては、ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴで構成される電子方式の電力スイッチとした。
【００３３】
図５に沿って電力スイッチ７の説明をする。電力スイッチ７は、ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４１とＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４２とインバータ４３とから構成されており、ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４１のドレインが、図１における接点Ｓｗ１に対応し、ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４２のドレインが、図１における接点Ｓｗ２に対応し、ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４１およびＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４２の各々のソースの接続点が、図１における接点Ｓｗｃに対応する。そして、ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４１のゲートには直接、制御信号Ｓｗｓが入力され、ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４２のゲートにはインバータ４３で反転された制御信号Ｓｗｓが入力されるようになされている。このような、電子的なスイッチは、制御信号Ｓｗｓがハイレベルである場合には、接点Ｓｗ１と接点Ｓｗｃ（ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４１のドレインとソースの間）が導通し、制御信号Ｓｗｓがローレベルである場合には、接点Ｓｗ２と接点Ｓｗｃ（ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４２のドレインとソースの間）が導通する。なお、ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４１およびＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４２の各々のドレインとソース間のダイオードは寄生ダイオード（ボディダイオード）であり、ＭＯＳ−ＦＥＴの製造の過程で通常、意図せずとも形成されてしまう素子である。
【００３４】
（電源制御部）
以上の各部の構成を基に、分散型電源配電システム５１の全体がどのように動作するかを、電源制御部２の動作を中心に説明する。電源制御部２はＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＭＥＭ（Ｍｅｍｏｒｙ）（いずれも、図示せず）を主要部として構成されている。そして、分散型電源配電システム５１の制御のためのＭＥＭに記憶されたソフトウエアをＣＰＵが順次処理することによって制御は行われる。所定時間毎の割り込み処理が処理のメインルーチンとされており、処理手順の主要部を以下に示す。
【００３５】
割り込みタイマーからの割り込み信号をトリガーとして、分散型電源電圧情報Ｓｖｇの値を読み込む（ステップＳＴ００１）。
次に、分散型電源電圧情報Ｓｖｇが所定値以上であるか未満であるかを判断する（ステップＳＴ００２）。
ここで、所定値Ｒｅｆ１の大きさは、（式１）で表される。なお、Ｄ１は、分圧器の分圧比（Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２））の値である。また、αは、屋内配線８の電圧を２００Ｖとする場合に、蓄電器３に充電するのに必要な積み上げの電圧の値であり、数Ｖ以内の範囲内の定数である。Ｖｄ２２は、逆流防止ダイオード２２の順方向電圧の値であり、電流の増加とともに、Ｖｄ２２の値は増加するので、本実施形態では、充電電流が過大に流れることを防止する作用をも有する。
（式１）
Ｒｅｆ１＝（２００＋α―Ｖｄ２２）×Ｄ１
分散型電源電圧情報Ｓｖｇが所定値以上である場合には、処理はステップＳＴ００３に移り、分散型電源電圧情報Ｓｖｇが所定値Ｒｅｆ１未満である場合には、処理はステップＳＴ００５に移る。
【００３６】
ステップＳＴ００３では、ステップＳＴ００２におけるＹｅｓの判断が連続してＮ回以上であるか、Ｎ回未満であるかを判断する。
Ｎ回以上である場合（Ｙｅｓ）には、制御信号Ｓｗｓをハイレベルとして（ステップＳＴ００４）、次に回数ｎをリセットし（ステップＳＴ００７）、処理は、再びステップＳＴ００１に戻る。
Ｎ回未満である場合（Ｎｏ）には、制御信号Ｓｗｓをそのままとして、処理は、再びステップＳＴ００１に戻る。
ここで、Ｎ回の回数を設定したのは、自然エネルギーによる発電電力量、負荷で消費される電力量の変動に応じて、頻繁に電力スイッチ７が切り替わるのを防止するためである。ここで、数値Ｎは、数秒から数１０時間の範囲に対応して、設定可能とされており、数値Ｎを長くする程、力率改善整流回路６からの直流電力の供給モードから、分散型電源１からの直流電力の供給モードに復帰するまでの時間が長く設定できる。
【００３７】
一方、ステップＳＴ００５では、ステップＳＴ００２におけるＮｏの判断が連続してＭ回以上であるか、Ｍ回未満であるかを判断する。
Ｍ回以上である場合（Ｙｅｓ）には、制御信号Ｓｗｓをローレベルとして（ステップＳＴ００６）、次に回数ｎをリセットし（ステップＳＴ００８）、処理は、再びステップＳＴ００１に戻る。
Ｍ回未満である場合（Ｎｏ）には、制御信号Ｓｗｓをそのままとして、処理は、再びステップＳＴ００１に戻る。ここで、Ｍ回の回数を設定したのは、自然エネルギーによる発電電力量、負荷で消費される電力量の変動によって、頻繁に電力スイッチ７が切り替わるのを防止するためである。ここで、数値Ｍは、数秒から数１０時間の範囲に対応して、設定可能とされており、数値Ｍを長くする程、分散型電源１からの直流電力の供給モードから、交流電力系統４から力率改善整流回路６を介しての直流電力の供給モードに復帰するまでの時間が長く設定できる。
【００３８】
以上の処理によって、分散型電源電圧情報Ｓｖｇが所定値Ｒｅｆ１未満である場合、すなわち、蓄電器３を充電するに十分な電力を分散型電源１が発電できない場合には、数値Ｍで最長時間が定められる所定時間は蓄電器３からの直流電力が屋内配線８を介して負荷に供給された後に、力率改善整流回路６から直流電力が供給され、蓄電器３を充電するとともに、屋内配線８を介して接続される種々の負荷に２００Ｖ付近の適正な電圧の直流電力を供給できる。すなわち、数値Ｍ、数値Ｎをどのような値とするかによって、力率改善整流回路６からの直流電力の供給モードから、分散型電源１からの直流電力の供給モードに復帰するまでの時間の設定ができる。また、分散型電源１からの直流電力の供給モードから、力率改善整流回路６からの直流電力の供給モードに復帰するまでの時間設定。分散型電源１からの直流電力が長期に低下する場合において、分散型電源１からも力率改善整流回路６からも電力を供給さず、蓄電器３から屋内配線８に電力を供給している時間の設定もできるものである。
【００３９】
この場合において、力率改善整流回路６から直流電力は蓄電器３および屋内配線８を介して接続される種々の負荷に供給されるが、分散型電源１に供給されることはなく、同様に、分散型電源１から直流電力は蓄電器３および屋内配線８を介して接続される種々の負荷に供給されるが、力率改善整流回路６に供給されることはない。すなわち、分散型電源１から交流電力系統４に供給される電力は存在しないので、交流電力系統４に電力を供給する発電所の同期発電機（図示せず）または、この交流電力系統４に接続される他の電力機器に系統擾乱、電圧波形歪みによる損失増加、その他の電圧波形歪みを原因とする動作機能不全の悪影響を与えることがない。また、交流電力系統からの電力によって作動する家庭電化製品または産業機器の多くは、内部に整流回路を備えるので、交流電力系統からの電力を整流するに際して整流回路のダイオードから、不要な電磁妨害となるスイッチングノイズが発生するものであったが、このように直流電力を供給する場合にはスイッチングノイズは発生しない。さらに、数値Ｍの値を適切に選択することによって交流電力系統４と分散型電源配電システム５１との接続が適切に行われ、交流電力系統４への影響も少ないものとできる。さらに、後述する交流電力系統４との通信機能を用いて、数値Ｍの値に基づき、予定する交流電力系統４からの電力消費の開始時間を知らせれば、さらに交流電力系統４への影響も少ないものとできる。
【００４０】
（第２実施形態の分散型電源配電システム）
上述した第１実施形態の分散型電源配電システム５１においては、電力スイッチ７を１回路２接点（Ｓｗ１，Ｓｗ２、Ｓｗｃ）のスイッチとして、電源制御部２は、力率改善整流回路６からの直流電力と分散型電源１からの直流電力のいずれか一方のみから蓄電器３または屋内配線８に直流電力を供給するように、または、逆流防止ダイオード２２の作用によって双方から電力を供給することなく、蓄電器３から屋内配線８に供給するように電力スイッチ７を制御したが、図７に示す第２実施形態の分散型電源配電システム６１においては、分散型電源１は蓄電器３および屋内配線８に常時接続されており、電源制御部２は、分散型電源１の発電する電力量に応じた直流電力および分散型電源１の発電する力率改善整流回路６からの直流電力を蓄電器３または屋内配線８に供給するように電力スイッチ６７を制御する。第１実施形態におけると同様の構成および作用を奏する部分には第１実施形態におけると同一の符号を付して説明を省略する。以下に第２実施形態の分散型電源配電システム６１および分散型電源装置６０についてより詳細に説明する。
【００４１】
電力スイッチ６７は、１回路１接点（Ｓｗ２、Ｓｗｃ）のスイッチであり、図５において、ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４１が設けられないものと同様の形態を有するものである。制御信号Ｓｗｓによって接点Ｓｗ２と接点ＳｗｃとのＯＮ／ＯＦＦが制御される。具体的な電源制御部２における制御は以下のように行われる。分散型電源電圧情報Ｓｖｇが、（式１）で表す所定値Ｒｅｆ１以上である場合には、接点Ｓｗ２と接点Ｓｗｃとは、ＯＦＦとされており、分散型電源電圧情報Ｓｖｇが、（式１）で表す所定値Ｒｅｆ１未満である場合には、接点Ｓｗ２と接点Ｓｗｃとは、ＯＮとされる。また、第１実施形態と同様に数値Ｍを用いてスイッチＯＮのタイミングを遅らし、数値Ｎを用いてスイッチＯＦＦのタイミングを遅らすことも可能である。
【００４２】
このようにして、分散型電源電圧情報Ｓｖｇが所定値Ｒｅｆ１未満である場合、すなわち、蓄電器３を充電するに十分な電力を分散型電源１が発電できない場合には、力率改善整流回路６から直流電力が供給され、蓄電器３を充電するとともに、屋内配線８を介して接続される種々の負荷に２００Ｖ付近の適正な電圧の直流電力を供給できる。
【００４３】
この場合において、力率改善整流回路６から直流電力は蓄電器３および屋内配線８を介して接続される種々の負荷に供給されるが、分散型電源１に供給されることはない。また、同様に、分散型電源１から直流電力は蓄電器３および屋内配線８を介して接続される種々の負荷に供給されるが、力率改善整流回路６に供給されることはない。すなわち、分散型電源１から交流電力系統４に供給される電力は存在しないので、交流電力系統４に電力を供給する発電所の同期発電機または、この交流電力系統４に接続される他の電力機器に系統擾乱、電圧波形歪みによる損失増加、その他の電圧波形歪みを原因とする動作機能不全の悪影響を与えることがない。
【００４４】
（第３実施形態の分散型電源配電システム）
上述した第１実施形態の分散型電源配電システム５１においては、電力スイッチ７を、上述した第２実施形態の分散型電源配電システム６１においては、電力スイッチ６７を設けて電力の切り替えを行ったが、必ずしも、独立の部品として、電力スイッチを構成する必要はない。すなわち、図２における逆流防止ダイオード２２および図３におけるダイオード２８を電力スイッチとして用いることができる。このような電力スイッチによって、力率改善整流回路６からの直流電力と分散型電源１からの直流電力との通過電力量の割合が制御される。以下、図８に沿って第３実施形態の分散型電源配電システム７１および分散型電源装置７０について説明するが、第１実施形態におけると同様の構成および作用を奏する部分には第１実施形態におけると同一の符号を付して説明を省略する。
【００４５】
図８に沿ってまず図２に示す分散型電源１の発電量が大きい場合の説明をする。この場合には、分散型電源出力電圧Ｖｇｏ（図２を参照）の電圧の値は高くなり、蓄電器３が鉛蓄電池である場合には、大きな充電電流が蓄電器３に流れ蓄電器３の電圧の値は若干上昇し、屋内配線８に供給される電圧の値もそれとともに上昇する。この場合に整流回路出力電圧Ｖｒｏ（図３を参照）の電圧の値は、分散型電源出力電圧Ｖｇｏの電圧の値に較べて低くなる。力率改善回路制御部３０が構成の一部をなすフィードバックサーボ系の作用の結果として、ゲート制御信号Ｓｒｃの時比率は、自動的に零となり、ダイオード２８はＯＦＦとなって、ダイオード２８を通過する通過電力量は零となる。
【００４６】
次に、分散型電源１の発電量が小さい場合の説明をする。この場合には、分散型電源出力電圧Ｖｇｏの電圧の値は低くなる。そして、蓄電器３の直流電圧Ｖｂ（屋内配線８に供給される電圧でもある）の電圧の値よりも分散型電源出力電圧Ｖｇｏの電圧の値が低くなり、逆流防止ダイオード２２はＯＦＦとなって、逆流防止ダイオード２２を通過する通過電力量は零となる。そして、この場合には、力率改善整流回路６からのみ電力が供給されることとなる。
【００４７】
第３実施形態によれば、逆流防止ダイオード２２およびダイオード２８が上述した電力スイッチ７または電力スイッチ６７と同様の機能を有することとなって、分散型電源１からの発電電力量に応じて、分散型電源１から直流電力が供給されるか、力率改善整流回路６から直流電力が供給されるかが切り替えられる。しかしながら、このままでは、切り替えのタイミングを遅らす機能は有していない。そこで、力率改善回路制御部３０にタイマー機能を持たせ、一旦分散型電源１からの電力の供給が開始すると所定時間後でなければ、力率改善整流回路６から直流電力の供給が開始しないようにすることもできる。いずれにしても、交流電力系統４に電力を供給する発電所の同期発電機または、この交流電力系統４に接続される他の電力機器に系統擾乱、電圧波形歪みによる損失増加、その他の電圧波形歪みを原因とする動作機能不全の悪影響を与えることがない。
【００４８】
（分散型電源の他の実施形態）
以下に上述した第１実施形態ないし第３実施形態の様々な変形例の一部について説明する。上述した第１実施形態では、逆流防止ダイオード２２を用いて分散型電源１への電流の逆流を防止したが、逆流防止ダイオード２２を用いることなく、計器用変流器ＣＴまたは電流検出用の抵抗（いずれも図示せず）を用いて、分散型電源１への入出力電流を監視し、この入出力電流に応じた入出力電流信号を分散型電源電圧情報Ｓｖｇに替えて用い、入出力電流信号が蓄電器３から分散型電源１への逆流電流を検出する場合には、電力スイッチ７は、ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４１をＯＦＦとするように制御することもできる。
【００４９】
また、電力スイッチ７は、１回路２接点（Ｓｗ１、Ｓｗ２、Ｓｗｃ）または１回路１接点（Ｓｗ１、Ｓｗｃ）のスイッチとして説明をしたが、１回路２接点のスイッチにおいては、接点Ｓｗ１または接点Ｓｗ２のいずれにも接点Ｓｗｃが接触しないものとしても良い。この場合には、電力出力端子１０からの直流電力はすべて蓄電器３から出力されることとなり、分散型電源１からの発電量が少ない場合でも、必ずしも力率改善整流回路６から電力を取らないこととして交流電力系統４への負荷を低減することができる。
【００５０】
また、上述した第１実施形態ないし第３実施形態においては、分散型電源１からの発電電力を処理することなく、逆流防止ダイオード２２を介して蓄電器３および屋内配線８に供給することとしたが、蓄電器３として電気二重層コンデンサを用いる場合には、屋内配線８に供給される電圧が定まらない場合があり得る。また、分散型電源１からの発電電圧が、屋内配線８の規定電圧である２００Ｖ付近より低い場合においては、分散型電源１からの発電電力は全く利用されないこととなる。このような事態を避けるために、分散型電源１の発電部２１と蓄電器３との間にＤＣ−ＤＣコンバータ部（図示せず）を介することが望ましい。このような構成を採用すれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ部の出力電圧を任意の値とできるので、分散型電源１からの出力電圧を常時、２００Ｖ付近の電圧に設定することができる。このような構成を採用すれば、分散型電源１からの発電電力を有効に利用できるとともに、蓄電器３が電気二重層コンデンサである場合においても、屋内配線８から供給する電圧を所定電圧とすることができる。
【００５１】
また、力率改善整流回路６として、ステップアップ型スイッチングレギュレータを用いたが、屋内配線８における規定電圧を交流電力系統４からの交流電圧ＶＡＣのピーク電圧の値よりも低くする場合には、ステップダウン型スイッチングレギュレータ（図示せず）によって力率改善整流回路を構成することができる。さらに、５０Ｈｚに対して十分な力率改善効果を有するインダクタンスを交流入力側に入れて、コンデンサインプット型の整流回路が有する電圧ピーク付近での突入電流を低減して力率を改善するようにしても良い。
【００５２】
また、図９に示すような構成において、分散型電源装置８０および分散型電源配電システム８１を構成する散型電源９１は、上述したＤＣ−ＤＣコンバータを具備するものとし、蓄電器３に流れる充電電流に応じた信号Ｓｉｂを検出して、充電電流が所定の値となるように、信号Ｓｓｂによって分散型電源出力電圧Ｖｇｏ（図２を参照）を制御しても良いものである。また、蓄電器３に流れる充電電流に応じた信号Ｓｉｂを検出して、充電電流が所定の値となるように、信号Ｓｃｄによって力率改善整流回路８６の整流回路出力電圧Ｖｒｏ（図３を参照）を制御するようにしても良いものである。このようにすれば、鉛蓄電池等である蓄電器３に安定した充電電流が供給できるとともに蓄電池の電圧Ｖｂも安定し、屋内配線８に安定した電圧を供給できる。
【００５３】
さらに、鉛蓄電池の電解液の比重に応じた信号Ｓｐｂまたは、蓄電器３の直流電圧Ｖｂの値を検出して蓄積電力量を推定して、この推定された蓄積電力量に応じて分散型電源９１の分散型電源出力電圧Ｖｇｏを信号Ｓｃｂによって制御し、あるいは力率改善整流回路８６の整流回路出力電圧Ｖｒｏを信号Ｓｃｄによって制御するようにしても良いものである。なお、信号Ｓｃｂ、信号Ｓｃｄは、図９に示す通信機能付制御部８２から出力される。
【００５４】
また、交流電力系統４に電力を供給する発電所における発電電力の平均的な利用のために、比較的安価な深夜電力を用いて蓄電器３に充電するために、上述した種々の態様の電力スイッチによって、例えば、深夜の所定時刻に力率改善整流回路からの直流電力が導通するように制御されるようにしても良いものである。
【００５５】
また、さらに、通信機能付制御部８２は、交流電力系統４に電力を供給する発電所に、各自の分散型電源配電システムの状況を需用予測として知らせ、発電所での発電電力の管理を可能とするようにしても良いものである。発電所に知らせる需用予測は、屋内配線８に接続されている負荷における電力消費量、分散型電源９１からの電力供給量、分散型電源９１の性質に基づく発電予測量（例えば、明日の風力、日照時間等）、力率改善整流回路８６からの供給電力、現在の蓄電器３における蓄積電力量等から計算されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】第１実施形態の分散型電源配電システムの構成図である。
【図２】実施形態の分散型電源の構成図である。
【図３】実施形態の力率改善整流回路の構成図である。
【図４】実施形態の力率改善整流回路の動作原理を説明する図である。
【図５】実施形態の電力スイッチの構成図である。
【図６】第１実施形態の分散型電源配電システムの動作のフローチャートである。
【図７】第２実施形態の分散型電源配電システムの構成図である。
【図８】第３実施形態の分散型電源配電システムの構成図である。
【図９】他の実施形態の分散型電源配電システムの構成図である。
【図１０】背景技術を説明する図である。
【符号の説明】
【００５７】
１、９１ 分散型電源、２ 電源制御部、３ 蓄電器、４ 交流電力系統、５ サーキットブレーカ、６、８６ 力率改善整流回路、７、６７ 電力スイッチ、８ 屋内配線、１０ 電力出力端子、１１ 照明器、１３ 冷蔵庫、１４ 洗濯機、２１ 発電部、２２ 逆流防止ダイオード、２５ 全波整流回路、２６ インダクタ、２７ スイッチ素子、２８ ダイオード、２９ コンデンサ、３０ 力率改善回路制御部、３１ 計器用変流器、３３ 分圧器、３４ 分圧器、４３ インバータ、５０、６０、７０、８０ 分散型電源装置、５１、６１、７１、８１ 分散型電源配電システム、８２ 通信機能付制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力系統からの交流電力を力率改善して直流電力に変換して出力する力率改善整流回路と、
自ら発電して直流電力を出力する分散型電源と、
前記力率改善整流回路からの直流電力または前記分散型電源からの直流電力を選択する電力スイッチと、
前記電力スイッチの出力側に並列接続される蓄電器および負荷に電力を供給するための配線と、
を備える分散型電源配電システム。
【請求項２】
交流電力系統からの交流電力を力率改善して直流電力に変換して出力する力率改善整流回路と、
前記力率改善整流回路からの直流電力の切断または導通を行う電力スイッチと、
前記電力スイッチの出力側に並列接続される蓄電器、負荷に電力を供給するための配線および自ら発電して直流電力を出力する分散型電源と、
を備える分散型電源配電システム。
【請求項３】
前記電力スイッチは、所定時刻に前記力率改善整流回路からの直流電力が導通するように制御されることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の分散型電源配電システム。
【請求項４】
交流電力系統からの交流電力を力率改善して直流電力に変換して出力する力率改善整流回路と、
自ら発電して直流電力を出力する分散型電源と、
前記力率改善整流回路からの直流電力または前記分散型電源からの直流電力を選択する電力スイッチと、
前記電力スイッチの出力側に並列接続される蓄電器および電力出力端子と、
を備える分散型電源装置。
【請求項５】
交流電力系統からの交流電力を力率改善して直流電力に変換して出力する力率改善整流回路と、
前記力率改善整流回路からの直流電力の切断または導通を行う電力スイッチと、
前記電力スイッチの出力側に並列接続される蓄電器、自ら発電して直流電力を出力する分散型電源および電力出力端子と、
を備える分散型電源装置。
【請求項１】
交流電力系統からの交流電力を力率改善して直流電力に変換して出力する力率改善整流回路と、
自ら発電して直流電力を出力する分散型電源と、
前記力率改善整流回路からの直流電力または前記分散型電源からの直流電力を選択する電力スイッチと、
前記電力スイッチの出力側に並列接続される蓄電器および負荷に電力を供給するための配線と、
を備える分散型電源配電システム。
【請求項２】
交流電力系統からの交流電力を力率改善して直流電力に変換して出力する力率改善整流回路と、
前記力率改善整流回路からの直流電力の切断または導通を行う電力スイッチと、
前記電力スイッチの出力側に並列接続される蓄電器、負荷に電力を供給するための配線および自ら発電して直流電力を出力する分散型電源と、
を備える分散型電源配電システム。
【請求項３】
前記電力スイッチは、所定時刻に前記力率改善整流回路からの直流電力が導通するように制御されることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の分散型電源配電システム。
【請求項４】
交流電力系統からの交流電力を力率改善して直流電力に変換して出力する力率改善整流回路と、
自ら発電して直流電力を出力する分散型電源と、
前記力率改善整流回路からの直流電力または前記分散型電源からの直流電力を選択する電力スイッチと、
前記電力スイッチの出力側に並列接続される蓄電器および電力出力端子と、
を備える分散型電源装置。
【請求項５】
交流電力系統からの交流電力を力率改善して直流電力に変換して出力する力率改善整流回路と、
前記力率改善整流回路からの直流電力の切断または導通を行う電力スイッチと、
前記電力スイッチの出力側に並列接続される蓄電器、自ら発電して直流電力を出力する分散型電源および電力出力端子と、
を備える分散型電源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−２１５２５７（Ｐ２００７−２１５２５７Ａ）
【公開日】平成１９年８月２３日（２００７．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２９５４８（Ｐ２００６−２９５４８）
【出願日】平成１８年２月７日（２００６．２．７）
【出願人】（５０４２０５５２１）国立大学法人 長崎大学 (226)
【出願人】（５０３３６１２４８）富士電機デバイステクノロジー株式会社 (1,023)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月２３日（２００７．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月７日（２００６．２．７）
【出願人】（５０４２０５５２１）国立大学法人 長崎大学 (226)
【出願人】（５０３３６１２４８）富士電機デバイステクノロジー株式会社 (1,023)
【Ｆターム（参考）】
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