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公開番号2021005985
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210114
出願番号2019120152
出願日20190627
発明の名称直流電力網
出願人古河電気工業株式会社
代理人アインゼル・フェリックス=ラインハルト,個人,個人,個人,個人
主分類H02J 1/10 20060101AFI20201211BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】複数の電力網を有する直流電力網において、ある電力網に対して、当該電力網において電力不足が発生していない場合であっても、他の電力網から任意のタイミングで電力を供給することができる直流電力網を提供する。
【解決手段】本発明の直流電力網は、電力を供給する少なくとも1つの第1の電力網と、電力を供給される少なくとも1つの第2の電力網と、を有し、第1の電力網から第2の電力網に電力を供給する際、第1の電力網の基準電圧を上昇させる、または、第2の電力網の基準電圧を降下させる。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
電力を供給する少なくとも1つの第1の電力網と、電力を供給される少なくとも1つの第2の電力網と、を有する直流電力網であって、
前記第1の電力網から前記第2の電力網に電力を供給する際、前記第1の電力網の基準電圧を上昇させる、または、前記第2の電力網の基準電圧を降下させる、
ことを特徴とする直流電力網。
続きを表示(約 350 文字)【請求項2】
前記第1の電力網の基準電圧または前記第2の電力網の基準電圧は、前記第1の電力網と前記第2の電力網とを連携する直流線路の線路損失に基づいて決定される、
請求項1に記載の直流電力網。
【請求項3】
前記第1の電力網と前記第2の電力網とを連携する直流線路は、ループ状を形成する、
請求項1または2に記載の直流電力網。
【請求項4】
前記第1の電力網の蓄電池および前記第2の電力網の蓄電池は、直流線路に直接接続されている、
請求項1から3のいずれかに記載の直流電力網。
【請求項5】
前記第1の電力網の基準電圧は、前記第1の電力網の蓄電池の充電抵抗による電圧上昇を考慮して決定される、
請求項4に記載の直流電力網。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、複数の電力網を有する直流電力網において、ある電力網に対して、他の電力網から任意のタイミングで電力を供給することができる直流電力網に関するものである。
続きを表示(約 8,700 文字)【背景技術】
【0002】
従来、複数の電力網を有する直流電力網(DCマイクログリッド)ではすべての直流線路の電圧が一定となるように制御されている。
図7を用いて、従来技術の直流電力網の電力供給を説明する。
直流電力網100’は、第1の電力網10および第2の電力網20を有する。第1の電力網10と第2の電力網20とは、直流線路で接続されている。
第1の電力網10は、例えば大規模工場の電力網であり、直流電力網100’の中で最も消費電力が大きい。第1の電力網10は、商用電力系統に接続されており、電力会社から買電している。第1の電力網10は、交流負荷aと、太陽光発電システム(PVa)と、蓄電池aと、を有する。交流負荷aは、AC/DCを介して直流線路に接続され、PVaおよび蓄電池aは、それぞれDC/DCを介して直流線路に接続されている。
第2の電力網20は、例えば大規模宅地、商業施設の電力網である。第2の電力網20は、第1の電力網10と同様に、交流負荷bと、太陽光発電システム(PVb)と、蓄電池bと、を有する。ただし、第2の電力網20は、商用電力系統には接続されていないため、通常時は、PVbおよび蓄電池bを用いて、交流負荷bの全消費電力を賄い、第2の電力網20に電力不足が発生したときのみ、第1の電力網10から電力が供給される。
上述したように、直流電力網100’では、すべての直流線路の電圧が一定となるように制御されているため、通常時は、第1の電力網10の基準電圧Vaは、第2の電力網20の基準電圧Vbに等しい(Va=Vb)。
【0003】
(1)で示すように、通常時は、PVbを用いて、交流負荷bに電力を供給する。
交流負荷bの消費電力がPVbの発電電力よりも大きい場合、(2)で示すように、蓄電池bを用いて、不足電力を交流負荷bに電力を供給する。
蓄電池bからの電力供給が停止すると(蓄電池bの充電量がゼロになると)、または、蓄電池bからの供給電力が不足電力よりも小さくなると、第2の電力網20の基準電圧Vbが降下することにより、第2の電力網20の基準電圧Vbは、第1の電力網10の基準電圧Vaよりも低くなり(Vb<Va)、(3)で示すように、第1の電力網10から第2の電力網20に電力が供給される。
従来技術では、交流負荷bと蓄電池bとの間の線路インピーダンスと、交流負荷bと第1の電力網10との間の線路インピーダンスと、の関係から、基準電圧Vbが一定に維持されるように、交流負荷bに最も近い蓄電池bから優先して電力が供給され、蓄電池bからの電力供給が不足して初めて、第1の電力網10から電力が供給される。
それゆえ、仮に、第1の電力網10において余剰電力が発生していても、この余剰電力を第1の電力網10に供給することはできない。また、第1の電力網10から電力を供給する際には、不足電力の最大値を供給することになるため、第1の電力網10と第2の電力網20とを連携する直流線路(電力ケーブル)は、許容電流が大きいものを用いる必要がある。
【0004】
また、特許文献1には、複数のエネルギーコンポーネントに電力を分配するための電源制御装置において、DCバスの調整の仕方を制御することが記載されているが、具体的なDCバス電圧の制御方法については記載されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
特表2002−510957号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明は、上述した問題点を鑑み、複数の電力網を有する直流電力網において、ある電力網に対して、当該電力網において電力不足が発生していない場合であっても、他の電力網から任意のタイミングで電力を供給することができる直流電力網を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の直流電力網は、電力を供給する少なくとも1つの第1の電力網と、電力を供給される少なくとも1つの第2の電力網と、を有し、
前記第1の電力網から前記第2の電力網に電力を供給する際、前記第1の電力網の基準電圧を上昇させる、または、前記第2の電力網の基準電圧を降下させる。
【0008】
本発明の直流電力網では、前記第1の電力網の基準電圧または前記第2の電力網の基準電圧は、前記第1の電力網と前記第2の電力網とを連携する直流線路の線路損失に基づいて決定されることが好ましい。
【0009】
本発明の直流電力網では、前記第1の電力網と前記第2の電力網とを連携する直流線路は、ループ状を形成することが好ましい。
【0010】
本発明の直流電力網では、前記第1の電力網の蓄電池および前記第2の電力網の蓄電池は、直流線路に直接接続されていることが好ましい。
【0011】
本発明の直流電力網では、前記第1の電力網の基準電圧は、前記第1の電力網の蓄電池の充電抵抗による電圧上昇を考慮して決定されることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【0012】
本発明の第1実施形態に係る直流電力網およびこの直流電力網を制御するためのシステムのブロック図である。
平日の第2の電力網における電力パターンを示すグラフである。
休日の第2の電力網における電力パターンを示すグラフである。
本発明の第2実施形態に係る直流電力網およびこの直流電力網を制御するためのシステムのブロック図である。
本発明の第3実施形態に係る直流電力網およびこの直流電力網を制御するためのシステムのブロック図である。
本発明の第4実施形態に係る直流電力網およびこの直流電力網を制御するためのシステムのブロック図である。
従来技術の直流電力網のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
図1は、本発明の第1実施形態に係る直流電力網およびこの直流電力網を制御するためのシステムのブロック図である。
第1実施形態に係る直流電力網100は、第1の電力網10および第2の電力網20を有する。第1の電力網10と第2の電力網20とは、直流線路で接続されている。第1の電力網10および第2の電力網20の構成要素は、図7に示した従来の直流電力網100’の構成要素と同様であるので、その説明を省略する。
【0014】
直流電力網100を制御するためのシステムは、第1の電力網10を制御するための第1のエネルギーマネジメントシステム(EMSa)と、第2の電力網20を制御するための第2のエネルギーマネジメントシステム(EMSb)と、第1および第2のエネルギーマネジメントシステム(EMSa、EMSb)を制御するための統括エネルギーマネジメントシステム(統括EMS)と、を有する。
各EMSは、交流負荷a、bの消費電力を測定し、蓄電池a、bの充放電を制御し、PVa、PVbの発電電力を監視し、第1の電力網10と第2の電力網20との間で相互に供給される電力を決定する。
各EMSは、パーソナルコンピュータ、サーバ、ワークステーション等のコンピュータであり、ハードウェア構成として、CPU、メモリ、通信I/F、入出力装置等を有する。CPUは、メモリに格納されているプログラムを読み出して実行する。メモリには、プログラムおよびデータ等が格納される。通信I/Fを介して、EMS同士が通信する。
EMS間の通信および各EMSと各機器(DC/DC等)との間の通信は、有線だけでなく、無線(光マルチホップ、5G回線も含む)を使用することもできる。
【0015】
第1の電力網10から第2の電力網20に電力を供給する場合を検討する。通常時は、第1の電力網10の基準電圧Vaは、第2の電力網20の基準電圧Vbに等しい(Va=Vb)。
統括EMSは、EMSa、EMSbからの情報に基づき、第1の電力網10から第2の電力網20に電力を供給するべきであると判断した場合、EMSaを介して、第1の電力網10の蓄電池用DC/DCコンバータ、PV用DC/DCコンバータおよびAC/DCコンバータに対して、基準電圧Vaを通常のVから+αだけ上昇させる。αの値は、第1の電力網10と第2の電力網20とを連携する直流線路の線路損失(線路インピーダンス)に基づいて決定される。
結果として、第1の電力網10の基準電圧Vaは、第2の電力網20の基準電圧Vbよりも高くなり、電圧差(Va−Vb)により、第1の電力網10から第2の電力網20に電力が供給される。
EMSaからの情報とは、例えば、第1の電力網10において余剰電力が発生しているという情報、蓄電池aのSOC(充電率)等であり、EMSbからの情報とは、例えば、EMSbからの交流負荷bの消費電力がPVbの発電電力よりも大きいという情報、蓄電池bのSOC(充電率)、今後の需要予測等である。
このように、本発明では、第2の電力網20において電力不足が既に発生している場合だけでなく、電力不足が今後発生しそうである場合や、第2の電力網20において電力不足が発生していなくても、第1の電力網10において余剰電力が発生している場合等、任意のタイミングで、第1の電力網10から第2の電力網20に電力を供給することができるので、直流線路の許容電流を超過することなく、直流電力網100の電力を効率的に運用することができる。
なお、第1の電力網10から第2の電力網20に供給された電力は、交流負荷bによって消費されてもよいし、蓄電池bに充電されてもよい。
【0016】
図2および図3は、本発明の第1実施形態に係る直流電力網の第2の電力網の電力パターンを示すグラフである。
図2は、平日の第2の電力網における電力パターンを示すグラフである。
幅太の棒グラフで示すように、第2の電力網20における消費電力は、6時台から増加し、日中の時間帯に高く(約0.9MW)維持され、17時台以降減少する。折れ線グラフで示すように、PV発電は、日の出とともに増加し、日中にピークを示し、日の入り後にゼロになる。幅細の棒グラフで示す蓄電池充放電のグラフは、プラスが充電を示し、マイナスが放電を示す。
9時台〜16時台には、消費電力<PV発電の関係が成り立つため、第2の電力網20において必要な消費電力をすべてPV発電により供給することができ、さらに、余剰電力(PV発電−消費電力)を蓄電池bに充電することができる。例えば、12時台には、両矢印pで示す余剰電力を蓄電池bに充電することができる。
0時台〜7時台および17時台〜23時台には、PV発電<消費電力の関係が成り立つため、不足する電力を蓄電池bの放電により供給する。
このように、平日の第2の電力網20では、他の電力網からの電力供給を必要とせず、電力の自給自足が達成されている。
【0017】
図3は、休日の第2の電力網における電力パターンを示すグラフであり、図3(a)は第1の電力網からの電力供給がない場合(従来)を示し、図3(b)は第1の電力網からの電力供給がある場合(本発明)を示す。
幅太の棒グラフで示すように、第2の電力網20における消費電力は、6時台から増加し、日中の時間帯に高く(1.2MW〜1.3MW)維持され、17時台以降減少する。
休日の消費電力は、図2の平日の消費電力より高いため、図3(a)に示すように、第1の電力網10からの電力供給がない場合、6時台には、蓄電池bの充電量を使い切り、かつ、PV発電が開始していないため、6時台後半から8時台までは電力不足が発生する。不足電力は、図3(a)において、斜線で示す棒グラフの合計1.4MWである。このように、第2の電力網20の消費電力は、平日より休日の方が大きいため、特に日の出前の時間帯には電力不足が発生する。
それゆえ、この不足電力を賄うために、図3(b)に示すように、0時台〜7時台の間、第1の電力網10の基準電圧Vaを通常のVから+αだけ上昇させることにより、第1の電力網10から第2の電力網20に合計1.4MW(200kW×7時間)の電力が供給される。これにより、0時台〜5時台の間、図3(a)の場合と比較して、蓄電池bの放電量が減少し、その分を、6時台〜8時台に放電することにより、第2の電力網20の消費電力を賄うことができる。
従来は、蓄電池bの充電量を使い切った後、第1の電力網10から電力を供給していたため、図3(a)に示すように、7時台に、最大700kWhの電力を供給する必要がある。一方、本発明では、図3(b)に示すように、200kWhの電力を供給するため、直流線路を流れる電力を1/3以下に減少することができ、直流線路の許容電流を減少することができる。
【0018】
なお、図3(b)では、第2の電力網20は、第1の電力網10から200kWの電力を7時間で供給されているが、100kWの電力を14時間で供給される等、任意の設定が可能である。このように、不足電力をある一定時間で平準化(分割)して供給することにより、直流線路を流れる電力を減少でき、許容電流の低い直流線路が使用可能となる。また、第1の電力網10からの供給電力を商用電力系統から買電して平準化を実施する場合、700kWから200kWに減少するので、購入電力のピークを抑えることができる。
【0019】
図4は、本発明の第2実施形態に係る直流電力網およびこの直流電力網を制御するためのシステムのブロック図である。
第2実施形態に係る直流電力網200は、第3の電力網30を有し、第1の電力網10と第2の電力網20とを連携する直流線路がループ状を形成する点以外、第1実施形態に係る直流電力網100と同様である。
第3の電力網30の構成要素は、第1の電力網10および第2の電力網20の構成要素と同様である。
第1の電力網10から第2の電力網20に電力を供給する場合を検討する。ここで、第3の電力網30は、他の電力網に電力を供給することも、他の電力網から電力を供給されることもなく、第1の電力網10から第2の電力網20に供給される電力を通過させるだけである。
統括EMSは、EMSa、EMSbからの情報に基づき、第1の電力網10から第2の電力網20に電力を供給するべきであると判断した場合、EMSaを介して、第1の電力網10の基準電圧Vaを通常のVから+αだけ上昇させる。
結果として、第1の電力網10の基準電圧Vaは、第2の電力網20の基準電圧Vbよりも高くなり、電圧差(Va−Vb)により、第1の電力網10から第2の電力網20に電力が供給される。電力は、第1の電力網10から第2の電力網20に直接(図中右側の直流線路Xを介して)供給されるとともに、第1の電力網10から第3の電力網30を通過して第2の電力網20に(図中左側の直流線路YおよびZを介して)供給される。
第1の電力網10から第2の電力網20に直接供給される電力量、および、第1の電力網10から第3の電力網30を通過して第2の電力網20に供給される電力量は、直流線路Xの線路損失と、直流線路Y、Zの線路損失と、の比率によって決定される。
この実施形態では、第1の電力網10と第2の電力網20とを連携する直流線路がループ状を形成することにより、開閉器を使用せずにバックアップ系統を構成することができる。
【0020】
図5は、本発明の第3実施形態に係る直流電力網およびこの直流電力網を制御するためのシステムのブロック図である。
第3実施形態に係る直流電力網300は、2つの第1の電力網10、10cを有し、2つの第1の電力網10、10cから第2の電力網20に電力が供給される。
また、直流電力網300を制御するためのシステムは、EMSaおよびEMSbに加えて、第1の電力網10cを制御するための第1のエネルギーマネジメントシステム(EMSc)を有し、統括EMSは、EMSa、EMSbおよびEMScを制御する。
統括EMSは、EMSa、EMSb、EMScからの情報に基づき、第1の電力網10、10cから第2の電力網20に電力を供給するべきであると判断した場合、EMSaを介して、第1の電力網10の基準電圧Vaを通常のVから+αだけ上昇させ、EMScを介して、第1の電力網10cの基準電圧Vcを通常のVから+βだけ上昇させる。α、βの値は、第1の電力網10、10cから第2の電力網20に供給される電力量、第1の電力網10と第2の電力網20とを連携する直流線路Xの線路損失および第1の電力網10cと第2の電力網20とを連携する直流線路Zの線路損失に基づいて決定される。
結果として、第1の電力網10、10cの基準電圧Va、Vcは、第2の電力網20の基準電圧Vbよりも高くなり、それぞれの電圧差(Va−Vb)、(Vc−Vb)により、第1の電力網10、10cから第2の電力網20に電力が供給される。
【0021】
図6は、本発明の第4実施形態に係る直流電力網およびこの直流電力網を制御するためのシステムのブロック図である。
第4実施形態に係る直流電力網400は、蓄電池用DC/DCコンバータが設けられていない、すなわち、蓄電池aおよび蓄電池bが直流線路に直接接続されている点以外、第1実施形態に係る直流電力網100と同様である。
統括EMSは、EMSa、EMSbからの情報に基づき、第1の電力網10から第2の電力網20に電力を供給するべきであると判断した場合、EMSaを介して、第1の電力網10の基準電圧Vaを通常のVから+αだけ上昇させる。αの値は、蓄電池aの内部インピーダンスZbattと許容充電電流値Iとに基づいて、α≦Zbatt×Iと決定される。これにより、第1の電力網10から第2の電力網20に供給されるべき電力が、第1の電力網10の蓄電池aに充填されることを防止することができる(図中、蓄電池aに向かう矢印に×が示されている)。
ただし、第1の電力網10と第2の電力網20とを連携する直流線路の線路損失および内部インピーダンスによる電圧降下から上述した電圧値(Va=V+α=V+Zbatt×I))では、第1の電力網10から第2の電力網20に電力を供給することができない場合、αの値を電力供給可能な値に設定するとともに、図示しないEVに充電を指示し、蓄電池aへの過充電を防止することもできる。
この実施形態では、蓄電池a、bが、DC/DCコンバータを介さず、直流線路に直接接続されているため、変換損失および部品コストを削減することができる。
また、基準電圧Vaは、蓄電池aの充電抵抗による電圧上昇を考慮して決定されることにより、蓄電池aへの余分な充電を防止することができる。
【0022】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さまざまな変更が可能である。
上述した実施形態では、第1の電力網10の基準電圧Vaを上昇させることにより、第1の電力網10から第2の電力網20に電力を供給したが、第2の電力網20の基準電圧Vbを降下させることにより、第1の電力網10から第2の電力網20に電力を供給することもできる。
上述した実施形態では、第1の電力網10から第2の電力網20に電力を供給したが、休日には第1の電力網10から第2の電力網20に電力を供給し、一方、平日には第2の電力網20から第1の電力網10に電力を供給するといったように、電力を電力網間で相互に供給することもできる。この場合、第1の電力網10は、平日の消費電力が高く、休日の消費電力は低く、一方、第2の電力網20は、平日の消費電力が低く、休日の消費電力が高いことが好ましい。すなわち、第1の電力網の消費電力カーブと第2の電力網の消費電力カーブとは、平日と休日で異なり、相補的であることが好ましい。
また、基準電圧Vaは、直流接続した急速充電器およびEVを充放電することで微調整を行うこともできる。
【符号の説明】
【0023】
10、10c 第1の電力網
20 第2の電力網
30 第3の電力網
100、100’、200、300、400 直流電力網

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