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公開番号2021027763
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210222
出願番号2019146116
出願日20190808
発明の名称分散型電源システム及びその運用方法
出願人住友電気工業株式会社
代理人特許業務法人サンクレスト国際特許事務所
主分類H02J 3/48 20060101AFI20210125BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】単相3線式電路の一方の相に接続する分散型電源システムの機能を、十分に活用できるようにする。
【解決手段】単相3線式電路に接続される蓄電装置を含む分散型電源システムであって、蓄電装置は、蓄電池を含む直流電源部と、直流電源部に接続され、第1レグ、第2レグ、及び、第3レグを有するインバータと、インバータと第1電圧線との間に設けられた第1スイッチと、インバータと第2電圧線との間に設けられた第2スイッチと、第2レグを開路し、第1レグ及び第3レグをスイッチング動作させ、第1スイッチを閉路し、かつ、第2スイッチを開路するU相稼働状態と、第1レグを開路し、第2レグ及び第3レグをスイッチング動作させ、第2スイッチを閉路し、かつ、第1スイッチを開路するW相稼働状態とを、U相の受電点における電力、及び、W相の受電点における電力に基づいて、択一的に切り替える制御部と、を備える。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項1】
第1電圧線、中性線、及び、第2電圧線を有する単相3線式電路に接続される蓄電装置を含む分散型電源システムであって、前記第1電圧線と前記中性線との間をU相、前記第2電圧線と前記中性線との間をW相と定義した場合に、前記蓄電装置は、
蓄電池を含む直流電源部と、
前記直流電源部に接続され、一対のスイッチング素子の直列体の中間接続点が前記第1電圧線と接続される第1レグ、一対のスイッチング素子の直列体の中間接続点が前記第2電圧線と接続される第2レグ、及び、一対のスイッチング素子の直列体の中間接続点が前記中性線と接続される第3レグを有するインバータと、
前記インバータと前記第1電圧線との間に設けられた第1スイッチと、
前記インバータと前記第2電圧線との間に設けられた第2スイッチと、
前記第2レグを開路し、前記第1レグ及び前記第3レグをスイッチング動作させ、前記第1スイッチを閉路し、かつ、前記第2スイッチを開路するU相稼働状態と、前記第1レグを開路し、前記第2レグ及び前記第3レグをスイッチング動作させ、前記第2スイッチを閉路し、かつ、前記第1スイッチを開路するW相稼働状態とを、前記U相の受電点における電力、及び、前記W相の受電点における電力に基づいて、択一的に切り替える制御部と、
を備えている分散型電源システム。
続きを表示(約 1,900 文字)【請求項2】
前記蓄電池を放電させる場合、前記制御部は、前記U相の負荷及び前記W相の負荷のうち、電力消費が多い方の負荷が接続されている相に前記インバータを接続する請求項1に記載の分散型電源システム。
【請求項3】
前記単相3線式電路の前記第1電圧線と前記第2電圧線との間に出力を供給するよう接続された太陽光発電装置を備え、
前記太陽光発電装置の発電電力を用いて前記蓄電池を充電する場合、前記制御部は、前記U相の負荷及び前記W相の負荷のうち、電力消費が少ない方の負荷が接続されている相に前記インバータを接続する請求項1又は請求項2に記載の分散型電源システム。
【請求項4】
前記単相3線式電路の前記第1電圧線と前記第2電圧線との間に出力を供給するよう接続された太陽光発電装置を備え、
前記太陽光発電装置の発電電力を用いて前記蓄電池を充電する場合、前記制御部は、前記太陽光発電装置の出力に基づく余剰電力が多い方の相に前記インバータを接続する請求項1又は請求項2に記載の分散型電源システム。
【請求項5】
第1電圧線、中性線、及び、第2電圧線を有する単相3線式電路に接続される2組の蓄電装置を含む分散型電源システムであって、前記第1電圧線と前記中性線との間をU相、前記第2電圧線と前記中性線との間をW相と定義した場合に、
前記単相3線式電路の前記第1電圧線と前記第2電圧線との間に出力を供給するよう接続された太陽光発電装置を備え、
前記2組の蓄電装置の各々は、
蓄電池を含む直流電源部と、
前記直流電源部に接続され、一対のスイッチング素子の直列体の中間接続点が前記第1電圧線と接続される第1レグ、一対のスイッチング素子の直列体の中間接続点が前記第2電圧線と接続される第2レグ、及び、一対のスイッチング素子の直列体の中間接続点が前記中性線と接続される第3レグを有する、インバータと、
前記インバータと前記第1電圧線との間に設けられた第1スイッチと、
前記インバータと前記第2電圧線との間に設けられた第2スイッチと、
前記第2レグを開路し、前記第1レグ及び前記第3レグをスイッチング動作させ、前記第1スイッチを閉路し、かつ、前記第2スイッチを開路するU相稼働状態と、前記第1レグを開路し、前記第2レグ及び前記第3レグをスイッチング動作させ、前記第2スイッチを閉路し、かつ、前記第1スイッチを開路するW相稼働状態とを、前記U相の受電点における電力、及び、前記W相の受電点における電力に基づいて、択一的に切り替える制御部と、
を備えている分散型電源システム。
【請求項6】
前記U相稼働状態から前記W相稼働状態に切り替える際に、前記制御部は、前記第1レグ及び前記第3レグのスイッチング動作を停止させてから前記第1スイッチを開路し、その後、前記第2スイッチを閉路してから前記第2レグ及び前記第3レグのスイッチング動作を開始させ、
前記W相稼働状態から前記U相稼働状態に切り替える際に、前記制御部は、前記第2レグ及び前記第3レグのスイッチング動作を停止させてから前記第2スイッチを開路し、その後、前記第1スイッチを閉路してから前記第1レグ及び前記第3レグのスイッチング動作を開始させる、
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の分散型電源システム。
【請求項7】
第1電圧線、中性線、及び、第2電圧線を有する単相3線式電路に接続される蓄電装置であって、蓄電池を含む直流電源部と、当該直流電源部に接続され、一対のスイッチング素子の直列体の中間接続点が前記第1電圧線と接続される第1レグ、一対のスイッチング素子の直列体の中間接続点が前記第2電圧線と接続される第2レグ、及び、一対のスイッチング素子の直列体の中間接続点が前記中性線と接続される第3レグを有するインバータと、を含む蓄電装置を対象とした分散型電源システムの運用方法であって、
前記第2レグを開路し、前記第1レグ及び前記第3レグをスイッチング動作させるとともに、前記インバータを前記U相に接続し、前記W相とは非接続とするU相稼働状態と、
前記第1レグを開路し、前記第2レグ及び前記第3レグをスイッチング動作させるとともに、前記インバータを前記W相に接続し、前記U相とは非接続とするW相稼働状態とを、
前記U相の受電点における電力、及び、前記W相の受電点における電力に基づいて、択一的に切り替える、分散型電源システムの運用方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本開示は、分散型電源システム及びその運用方法に関する。
続きを表示(約 8,300 文字)【背景技術】
【0002】
日本国内で住宅等の需要家に電力を供給する低圧配電線は、主として、AC200V/AC100Vの単相3線式である。一方、近年普及が進んでいる住宅用の太陽光発電装置、蓄電装置、燃料電池システム等の分散型電源システムは、単相3線式の3電路のうち、中性線を除く電圧線の2線間にAC200Vを出力する(例えば、特許文献1参照。)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2018−11476号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
住宅用の太陽光発電装置では、多数の発電用のセルを互いに直列に接続することによって、200Vから300V程度の直流電圧を出力するストリングを構成する。そして、この直流電圧をDC/DCコンバータにより例えば350V(交流200Vのピーク値に余裕をみた値の一例)に昇圧した後、単相インバータによりAC200Vに変換して商用電力系統に連系する。この場合、ストリングの直流電圧が200V以上あるので、昇圧の幅が比較的小さい。そのため、安価な電力変換装置で、高い効率の電力変換を行うことができる。
【0005】
一方、住宅用の蓄電装置又は燃料電池システムに用いられる蓄電池又は燃料電池の直流電圧は、一般に上記の太陽光発電のストリングよりも低く、100V以下の場合も多い。100V以下の低い直流電圧を、一旦350Vもの直流電圧に変換するには、1段のDC/DCコンバータのみでは無理がある。そこで、複数段に非絶縁型のDC/DCコンバータを接続して、段階的に電圧を上げるか、または、DC/DCコンバータを高周波絶縁型にして、トランスの巻線比によって電圧を上げることになる。しかしながら、その場合、装置の大型化、コスト上昇、及び、電力変換効率低下の問題が生じる。
【0006】
そこで、蓄電装置又は燃料電池システムが出力する電圧をAC100Vとして、単相3線式電路の中性線を除く電圧線の2線の一方と、中性線の間に出力を提供することが考えられる。この場合、単相インバータの直流側電圧は175V程度で良いので、1段の非絶縁型DC/DCコンバータでも昇圧が可能となり、装置の小型化、低コスト化、及び、高い電力変換効率を実現することが可能となる。
【0007】
しかしながら、出力AC100Vの分散型電源システムでは、単相3線式電路の一方の相にのみ電力を供給し、他方の相には電力を供給することができない。そのため、一方の相と他方の相とで負荷の電力消費が大きく異なる場合には、分散型電源システムの有する給電及び蓄電の機能を、十分に活用することができない。その結果、買電、売電の量が増大し、しかも、売電の買い取り価格が低下すると、需要家における電力コストの節約に繋がらない可能性もある。
【0008】
かかる課題に鑑み、本開示は、単相3線式電路の一方の相に接続する分散型電源システムの機能を、十分に活用できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本開示は、以下の発明を含む。但し、本発明は特許請求の範囲によって定められるものである。
【0010】
本開示の分散型電源システムは、第1電圧線、中性線、及び、第2電圧線を有する単相3線式電路に接続される蓄電装置を含む分散型電源システムであって、前記第1電圧線と前記中性線との間をU相、前記第2電圧線と前記中性線との間をW相と定義した場合に、前記蓄電装置は、
蓄電池を含む直流電源部と、
前記直流電源部に接続され、一対のスイッチング素子の直列体の中間接続点が前記第1電圧線と接続される第1レグ、一対のスイッチング素子の直列体の中間接続点が前記第2電圧線と接続される第2レグ、及び、一対のスイッチング素子の直列体の中間接続点が前記中性線と接続される第3レグを有するインバータと、
前記インバータと前記第1電圧線との間に設けられた第1スイッチと、
前記インバータと前記第2電圧線との間に設けられた第2スイッチと、
前記第2レグを開路し、前記第1レグ及び前記第3レグをスイッチング動作させ、前記第1スイッチを閉路し、かつ、前記第2スイッチを開路するU相稼働状態と、前記第1レグを開路し、前記第2レグ及び前記第3レグをスイッチング動作させ、前記第2スイッチを閉路し、かつ、前記第1スイッチを開路するW相稼働状態とを、前記U相の受電点における電力、及び、前記W相の受電点における電力に基づいて、択一的に切り替える制御部と、
を備えている。
【0011】
他の表現による分散型電源システムは、第1電圧線、中性線、及び、第2電圧線を有する単相3線式電路に接続される2組の蓄電装置を含む分散型電源システムであって、前記第1電圧線と前記中性線との間をU相、前記第2電圧線と前記中性線との間をW相と定義した場合に、
前記単相3線式電路の前記第1電圧線と前記第2電圧線との間に出力を供給するよう接続された太陽光発電装置を備え、
前記2組の蓄電装置の各々は、
蓄電池を含む直流電源部と、
前記直流電源部に接続され、一対のスイッチング素子の直列体の中間接続点が前記第1電圧線と接続される第1レグ、一対のスイッチング素子の直列体の中間接続点が前記第2電圧線と接続される第2レグ、及び、一対のスイッチング素子の直列体の中間接続点が前記中性線と接続される第3レグを有する、インバータと、
前記インバータと前記第1電圧線との間に設けられた第1スイッチと、
前記インバータと前記第2電圧線との間に設けられた第2スイッチと、
前記第2レグを開路し、前記第1レグ及び前記第3レグをスイッチング動作させ、前記第1スイッチを閉路し、かつ、前記第2スイッチを開路するU相稼働状態と、前記第1レグを開路し、前記第2レグ及び前記第3レグをスイッチング動作させ、前記第2スイッチを閉路し、かつ、前記第1スイッチを開路するW相稼働状態とを、前記U相の受電点における電力、及び、前記W相の受電点における電力に基づいて、択一的に切り替える制御部と、
を備えている。
【0012】
方法の観点からは、第1電圧線、中性線、及び、第2電圧線を有する単相3線式電路に接続される蓄電装置であって、蓄電池を含む直流電源部と、当該直流電源部に接続され、一対のスイッチング素子の直列体の中間接続点が前記第1電圧線と接続される第1レグ、一対のスイッチング素子の直列体の中間接続点が前記第2電圧線と接続される第2レグ、及び、一対のスイッチング素子の直列体の中間接続点が前記中性線と接続される第3レグを有するインバータ、を含む蓄電装置を対象とした分散型電源システムの運用方法であって、
前記第2レグを開路し、前記第1レグ及び前記第3レグをスイッチング動作させるとともに、前記インバータを前記U相に接続し、前記W相とは非接続とするU相稼働状態と、
前記第1レグを開路し、前記第2レグ及び前記第3レグをスイッチング動作させるとともに、前記インバータを前記W相に接続し、前記U相とは非接続とするW相稼働状態とを、
前記U相の受電点における電力、及び、前記W相の受電点における電力に基づいて、択一的に切り替える、分散型電源システムの運用方法である。
【発明の効果】
【0013】
本開示によれば、単相3線式電路の一方の相に接続する分散型電源システムの機能を、十分に活用できるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
図1は、第1実施形態による分散型電源システムの回路図である。
図2は、蓄電装置の内部回路図の一例である。
図3は、制御部が実行する処理の一例を示すフローチャートである。
図4は、第2実施形態による分散型電源システムの回路図である。
図5は、分散型電源システムの参考例を示す回路図である。
図6は、図5に示した分散型電源システムにおいて、具体的な状態の一例を当てはめて考えた回路図である。
図7は、図5に示した分散型電源システムにおいて、具体的な状態の他の例を当てはめて考えた回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
[本開示の実施形態の説明]
本開示の実施形態には、その要旨として、少なくとも以下のものが含まれる。
【0016】
(1)これは、第1電圧線、中性線、及び、第2電圧線を有する単相3線式電路に接続される蓄電装置を含む分散型電源システムであって、前記第1電圧線と前記中性線との間をU相、前記第2電圧線と前記中性線との間をW相と定義した場合に、前記蓄電装置は、蓄電池を含む直流電源部と、前記直流電源部に接続され、一対のスイッチング素子の直列体の中間接続点が前記第1電圧線と接続される第1レグ、一対のスイッチング素子の直列体の中間接続点が前記第2電圧線と接続される第2レグ、及び、一対のスイッチング素子の直列体の中間接続点が前記中性線と接続される第3レグを有するインバータと、前記インバータと前記第1電圧線との間に設けられた第1スイッチと、前記インバータと前記第2電圧線との間に設けられた第2スイッチと、前記第2レグを開路し、前記第1レグ及び前記第3レグをスイッチング動作させ、前記第1スイッチを閉路し、かつ、前記第2スイッチを開路するU相稼働状態と、前記第1レグを開路し、前記第2レグ及び前記第3レグをスイッチング動作させ、前記第2スイッチを閉路し、かつ、前記第1スイッチを開路するW相稼働状態とを、前記U相の受電点における電力、及び、前記W相の受電点における電力に基づいて、択一的に切り替える制御部と、を備えている。
【0017】
上記のように構成された分散型電源システムでは、同時には、U相及びW相のいずれか一方とインバータとの間でしか電力の受け渡しができないが、電力使用状況に応じて、3レグ中で使用する2レグを切り替え、かつ、スイッチで接続の状態を切り替えることにより、他方の相とインバータとの間でも、電力の受け渡しを行うことができる。これにより、分散型電源システムにおける蓄電装置の有する給電及び蓄電の機能を、十分に活用することができる。
【0018】
(2)前記(1)の分散型電源システムにおいて、前記蓄電池を放電させる場合、前記制御部は例えば、前記U相の負荷及び前記W相の負荷のうち、電力消費が多い方の負荷が接続されている相に前記インバータを接続する。
この場合、U相及びW相にそれぞれ接続されている負荷のうち、電力消費の多い方の負荷が接続されている相に対して蓄電池から給電することにより、単相3線式の電路から買電する電力を抑制することができる。
【0019】
(3)前記(1)又は(2)の分散型電源システムは、前記単相3線式電路の前記第1電圧線と前記第2電圧線との間に出力を供給するよう接続された太陽光発電装置を備えていてもよい。かかる分散型電源システムにおいて、前記太陽光発電装置の発電電力を用いて前記蓄電池を充電する場合、前記制御部は例えば、前記U相の負荷及び前記W相の負荷のうち、電力消費が少ない方の負荷が接続されている相に前記インバータを接続する。
この場合、U相及びW相にそれぞれ接続されている負荷のうち、電力消費の少ない方の負荷が接続されている相の余剰電力によって蓄電池を充電することにより、太陽光発電の余剰電力を有効利用することができる。
【0020】
(4)前記(1)又は(2)の分散型電源システムは、前記単相3線式電路の前記第1電圧線と前記第2電圧線との間に出力を供給するよう接続された太陽光発電装置を備えていてもよい。かかる分散型電源システムにおいては、前記太陽光発電装置の発電電力を用いて前記蓄電池を充電する場合、前記制御部は例えば、前記太陽光発電装置の出力に基づく余剰電力が多い方の相に前記インバータを接続する。
この場合、U相及びW相のうち、余剰電力が多い方の相の当該余剰電力によって蓄電池を充電することにより、太陽光発電の余剰電力を有効利用することができる。
【0021】
(5)また、これは、第1電圧線、中性線、及び、第2電圧線を有する単相3線式電路に接続される2組の蓄電装置を含む分散型電源システムであって、前記第1電圧線と前記中性線との間をU相、前記第2電圧線と前記中性線との間をW相と定義した場合に、前記単相3線式電路の前記第1電圧線と前記第2電圧線との間に出力を供給するよう接続された太陽光発電装置を備え、前記2組の蓄電装置の各々は、蓄電池を含む直流電源部と、前記直流電源部に接続され、一対のスイッチング素子の直列体の中間接続点が前記第1電圧線と接続される第1レグ、一対のスイッチング素子の直列体の中間接続点が前記第2電圧線と接続される第2レグ、及び、一対のスイッチング素子の直列体の中間接続点が前記中性線と接続される第3レグを有する、インバータと、前記インバータと前記第1電圧線との間に設けられた第1スイッチと、前記インバータと前記第2電圧線との間に設けられた第2スイッチと、前記第2レグを開路し、前記第1レグ及び前記第3レグをスイッチング動作させ、前記第1スイッチを閉路し、かつ、前記第2スイッチを開路するU相稼働状態と、前記第1レグを開路し、前記第2レグ及び前記第3レグをスイッチング動作させ、前記第2スイッチを閉路し、かつ、前記第1スイッチを開路するW相稼働状態とを、前記U相の受電点における電力、及び、前記W相の受電点における電力に基づいて、択一的に切り替える制御部と、を備えている。
【0022】
上記(5)のように構成された分散型電源システムでは、2組の蓄電装置を、互いに異なる相に接続することができるほか、共に同一相に接続することもできる。従って、電力消費の状況や余剰電力の状況に合わせて、2組の蓄電装置を含む分散型電源システムの有する給電及び蓄電の機能を、十分に活用することができるとともに、太陽光発電の余剰電力を有効活用することができる。
【0023】
(6)前記(1)から(5)のいずれかの分散型電源システムにおいて、前記U相稼働状態から前記W相稼働状態に切り替える際に、前記制御部は、前記第1レグ及び前記第3レグのスイッチング動作を停止させてから前記第1スイッチを開路し、その後、前記第2スイッチを閉路してから前記第2レグ及び前記第3レグのスイッチング動作を開始させ、前記W相稼働状態から前記U相稼働状態に切り替える際に、前記制御部は、前記第2レグ及び前記第3レグのスイッチング動作を停止させてから前記第2スイッチを開路し、その後、前記第1スイッチを閉路してから前記第1レグ及び前記第3レグのスイッチング動作を開始させる。
この場合、第1スイッチ及び第2スイッチは電流の遮断や投入に直接関与しないので、接点寿命を長くすることができる。
【0024】
(7)方法の観点からは、第1電圧線、中性線、及び、第2電圧線を有する単相3線式電路に接続される蓄電装置であって、蓄電池を含む直流電源部と、当該直流電源部に接続され、一対のスイッチング素子の直列体の中間接続点が前記第1電圧線と接続される第1レグ、一対のスイッチング素子の直列体の中間接続点が前記第2電圧線と接続される第2レグ、及び、一対のスイッチング素子の直列体の中間接続点が前記中性線と接続される第3レグを有するインバータと、を含む蓄電装置を対象とした分散型電源システムの運用方法であって、前記第2レグを開路し、前記第1レグ及び前記第3レグをスイッチング動作させるとともに、前記インバータを前記U相に接続し、前記W相とは非接続とするU相稼働状態と、前記第1レグを開路し、前記第2レグ及び前記第3レグをスイッチング動作させるとともに、前記インバータを前記W相に接続し、前記U相とは非接続とするW相稼働状態とを、前記U相の受電点における電力、及び、前記W相の受電点における電力に基づいて、択一的に切り替える、分散型電源システムの運用方法である。
【0025】
このような分散型電源システムの運用方法によれば、1つの電圧線と中性線との間の電圧(例えばAC100V)を出力する蓄電装置を用いて、U相及びW相の双方との間での電力の受け渡しを実現することができる。これにより、分散型電源システムにおける蓄電装置の有する給電及び蓄電の機能を、十分に活用することができる。
【0026】
[本開示の実施形態の詳細]
以下、本開示の分散型電源システム及びその運用方法の具体例について、図面を参照して説明する。
【0027】
《課題の詳細な分析》
まず、前述の課題を詳細に分析する。
図5は、分散型電源システム200の参考例を示す回路図である。単相3線式の商用電力系統1は、電圧線としてのU線及びW線、中性線としてのO線を有している。U線−O線間には、AC100Vが印加され、O線−W線間には、U線−O線間とは逆位相のAC100Vが印加される。U線−W線間にはAC200Vが印加される。U線とO線との間をU相、W線とO線との間をW相とする。すなわち、U相には中性線Oから見てAC100VのU相電源1Uが、W相には中性線Oから見てU相とは逆位相のAC100VのW相電源1Wが、それぞれ存在していることになる。
【0028】
U線−W線間には需要家の負荷L
UW
が、U線−O線間には負荷L

が、W線−O線間には負荷L

が、それぞれ接続されている。太陽光発電装置2は、太陽光発電パネル3と、これに接続されたパワーコンディショナ4とを備えている。太陽光発電パネル3の出力はパワーコンディショナ4により交流に変換され、出力は、U線−W線間に供給される。
【0029】
蓄電池及びインバータ等(図示せず。)を含む蓄電装置5jの出力端(又は入力端)は、U線とO線との間に接続されている。U相電源1U及びW相電源1Wがあるところが受電点であるとすると、U線、O線の受電点側には、それぞれ、電流センサ5iu,5iwが設けられている。電流センサ5iu,5iwの検出出力は蓄電装置5jに送られる。蓄電装置5jは、内部の図示しない電圧センサからU線−O線間の電圧の検出出力も受け取っている。蓄電装置5jは、センサ類の検出出力及び蓄電池の情報に基づいて、蓄電池の充電又は放電を行わせる。
【0030】
(負荷への給電)
ここで、まず、太陽光発電装置2が発電しておらず、蓄電装置5jが、充電されたエネルギーを放電して、負荷Luに供給している状況を考える。蓄電装置5jは、放電電力に関して、受電点側の電力が0に近い一定の順潮流(蓄電装置5jの定格電力の5%程度)になるように制御を行う。受電点の電力は、U相とW相の有効電力の合計とすることができる。この場合、仮に一方が逆潮流であっても、U相、W相の両方を合計した電力が順潮流目標値であればよい。よって、仮に負荷がW相のみに接続されており、U相及び、U線−W線間には負荷が接続されていない場合であっても、受電点の電力が順潮流目標値と一致するように蓄電装置5jを制御することは可能である。
(【0031】以降は省略されています)

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