(57)【要約】【課題】  給電システムの出力変動に応じて、当該給電システムが検知するセンサ信号を生成する信号発生装置および方法を提供すること。【解決手段】  給電システムの試験において、当該給電システムの出力電力を制御する模擬信号を発生する信号発生装置であって、給電システムの電力系統に接続される交流電源の電圧を取得する電圧モニタ部１３０と、電圧モニタ部１３０が取得した電圧の位相を検出する位相検出部１４２と、出力電力に対応する交流電流を検出するＣＴ１１０と、給電システムを運用する環境の模擬的な負荷の負荷量を設定するＬＯＡＤ値設定部１２０と、電圧と位相と交流電流と負荷量とに基づいて、模擬信号を生成する信号生成処理部１４０とを含む。【選択図】  図４
2020028143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
給電システムの試験において、当該給電システムの出力電力を制御する模擬信号を発生する信号発生装置であって、
前記給電システムの電力系統に接続される交流電源の電圧を取得するモニタリング手段と、
前記モニタリング手段が取得した前記電圧の位相を検出する位相検出手段と、
前記出力電力に対応する交流電流を検出する電流検出手段と、
前記給電システムを運用する環境の模擬的な負荷の負荷量を設定する設定手段と、
前記電圧と、前記位相と、前記交流電流と、前記負荷量とに基づいて、前記模擬信号を生成する生成手段と
を含む、信号発生装置。
【請求項２】
前記設定手段は、前記模擬的な負荷に応じた位相の設定が可能であり、
前記生成手段は、前記電圧の位相と、前記交流電流の位相とに基づいて、前記模擬的な負荷に応じた位相に対応した前記模擬信号を生成することを特徴とする、請求項１に記載の信号発生装置。
【請求項３】
前記設定手段は、前記給電システムを運用する環境において使用される機器に対応する負荷モードが選択可能である、請求項１または２に記載の信号発生装置。
【請求項４】
前記モニタリング手段と前記位相検出手段と前記電流検出手段と前記生成手段の数量が、前記給電システムを運用する環境に対応した数量であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の信号発生装置。
【請求項５】
給電システムの試験において、当該給電システムの出力電力を制御する模擬信号を発生する方法であって、
前記給電システムの電力系統に接続される交流電源の電圧を取得するステップと、
前記取得するステップにおいて取得した前記電圧の位相を検出するステップと、
前記出力電力に対応する交流電流を検出するステップと、
前記給電システムを運用する環境の模擬的な負荷量を設定するステップと、
前記電圧と、前記位相と、前記交流電流と、前記負荷量とに基づいて、前記模擬信号を生成するステップと
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号発生装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、災害時の備えや環境負荷軽減の観点から、給電システムや燃料電池システムなどの電力を供給するシステム（以下、単に「給電システム」として参照する）が普及している。例えば一般家庭においては、商用電源とは別に給電システムを設置することで、当該給電システムからの電力供給によって、商用電源の使用量を低減できる。
【０００３】
ところで上述した各種の給電システムは、接続される機器の電力使用量に応じて出力が制御される。そのため給電システムの製造業者は、使用状況を模擬した環境において制御が適切であるかの試験や調整を行う。しかしながら、実際の運用環境を模擬すると、試験などの際にも使用状況と同じだけの電力を消費せねばならず、コストの増加につながる。
【０００４】
この点につき、特許第６１５９４７４号公報（特許文献１）では、蓄電池システムの運用環境に適合した模擬信号を生成する技術が開示されている。特許文献１によれば、蓄電池システムに与える充放電の指令信号である模擬信号を生成することができる。
【０００５】
しかしながら、特許文献１は、給電システムの出力に対してリアルタイムで応答して模擬信号を出力する構成ではない。したがって、特許文献１では、実際の運用環境のような、給電システムが出力する電力が変化した場合において、その変化に応じた模擬信号を出力することができなかった。そのため、給電システムの出力変動に応じた、さらなる技術が求められていた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、給電システムの出力変動に応じて、当該給電システムが検知するセンサ信号を生成する信号発生装置および方法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】
すなわち、本発明によれば、給電システムの試験において、当該給電システムの出力電力を制御する模擬信号を発生する信号発生装置であって、
前記給電システムの電力系統に接続される交流電源の電圧を取得するモニタリング手段と、
前記モニタリング手段が取得した前記電圧の位相を検出する位相検出手段と、
前記出力電力に対応する交流電流を検出する電流検出手段と、
前記給電システムを運用する環境の模擬的な負荷の負荷量を設定する設定手段と、
前記電圧と、前記位相と、前記交流電流と、前記負荷量とに基づいて、前記模擬信号を生成する生成手段と
を含む、信号発生装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
上述したように、本発明によれば、給電システムの出力変動に応じて、当該給電システムが検知するセンサ信号を生成する信号発生装置および方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】給電システムを使用する需要者の環境の例を示す図。
【図２】出力電力、供給電力および電力消費の関係を説明する図。
【図３】従来技術において給電システムの試験を行う装置構成を示す図。
【図４】本実施形態の信号発生装置を用いて給電システムの試験を行う装置構成を示す図。
【図５】本実施形態の信号発生装置における信号処理を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下では本発明を、実施形態をもって説明するが、本発明は後述する実施形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜その説明を省略するものとする。
【００１１】
また、本実施形態を説明するための基本的な前提事項について、図１〜図３を以て説明する。図１は、給電システム５００を使用する需要者の環境の例を示す図である。図１は、給電システム５００を備える家庭を例示しており、また当該家庭は、電力供給事業者による商用電源からの電力供給を受けている。図１に示す需要者の環境では、給電システム５００のほか、例えば、エアコン、テレビなどの機器、分電盤６００、電力計７００などが含まれる。
【００１２】
給電システム５００は、一例として、バッテリ５１０と、変換装置５２０と、制御装置５３０とを含んで構成される。バッテリ５１０は、電気エネルギーを蓄えたり、出力したりすることができる。変換装置５２０は、バッテリ５１０が出力する直流電力を交流電力に変換し、分電盤６００を介して家庭内の各機器に電力を供給する。制御装置５３０は、後述するＣＴ６１０が出力する信号を受けて、変換装置５２０が出力する電力量を制御する。
【００１３】
分電盤６００は、給電システム５００および商用電源が供給する電力を家庭内に分配、遮断する。また、分電盤６００は、ＣＴ（Current Transformer）６１０を備える。ＣＴ６１０は、電力を供給する電線に取り付けられ、当該電線に流れる交流電流を電磁誘導によって検出する。電力計７００は、商用電源からの電力の使用量を測定する。
【００１４】
以下では、図１に示されるように、給電システム５００が出力する電力（以下、「出力電力」として参照する）をＰＯＵＴ、商用電源から供給される電力（以下、「供給電力」として参照する）をＰＩＮ、負荷側で消費される電力（以下、「消費電力」として参照する）をＰＬＯＡＤとする。また、図１に示す電力系統の各系統の接点の入出力関係より、ＰＯＵＴとＰＩＮとの和は、ＰＬＯＡＤとなる（下記式（１）を参照）。したがって、ＣＴ６１０は、ＰＩＮに対応した電流を検出し、ＣＴ信号として給電システム５００に出力する。給電システム５００の制御装置５３０は、ＣＴ信号に基づいて変換装置５２０を制御し、ＰＯＵＴを制御する。
【００１５】
【数１】
2020028143.tif 000003
【００１６】
ところで、バッテリ５１０の例としては、化学エネルギーと電気エネルギーを相互に変換することができる一般的な蓄電池を挙げることができるが、実施形態を限定するものではなく、これ以外のものであってもよい。例えば、電気化学反応によって発電するいわゆる燃料電池や、太陽光発電を利用した太陽電池などであってもよい。
【００１７】
また、太陽光発電を利用するなどの特定の給電システムでは、発電した電力のうち余剰電力を電力供給事業者に提供する、いわゆる「売電」が可能であり、これによって、経済的な利益を得ることができる。一方で、供給電力を利用して充電した蓄電池を備える給電システム５００では、高値で売り戻されることを防止するために、当該給電システム５００が放電する出力電力を電力供給事業者に売電することは制限されている。したがって、このような給電システム５００では、出力電力が商用電源側に逆流することのないように制御する必要がある。
【００１８】
図２は、出力電力、供給電力および電力消費の関係を説明する図である。図２は、各電力の時間的な変動を例示しており、濃い色で示す領域は出力電力を、斜線のハッチングで示す領域は供給電力を、太線は消費電力を、それぞれ示している。また、給電システム５００は、最大でＰＯＵＴｍａｘに相当する電力を出力できる性能を有している。
【００１９】
消費電力は、図２に示すように推移する場合を想定している。すなわち消費電力は、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの間はゼロであり、時刻Ｔ１から時刻Ｔ３の間、一定の電力が消費される。その後、時刻Ｔ３以降において消費電力がさらに増加するものとする。
【００２０】
上記のように消費電力が変動した場合における出力電力および供給電力について考える。時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までは、消費電力がゼロであることから、出力電力および供給電力もゼロである。その後、時刻Ｔ１において電力の消費が開始されると、消費電力に相当する電力量の電力が商用電源から供給される。時刻ｔ１の時点では、出力電力はゼロであることから、ＣＴ６１０は消費電力と同じ量の供給電力を検出し、ＣＴ信号として制御装置５３０に送る。
【００２１】
制御装置５３０は、ＣＴ信号を受けて給電システム５００はバッテリ５１０から電力を出力させる。このとき、制御装置５３０は供給電力がゼロになるように変換装置５２０を制御する。より具体的には、制御装置５３０は、消費電力と出力電力が釣り合うように、すなわち受領するＣＴ信号がゼロとなるように、出力電力を上昇させる制御を行う。供給電力がマイナスになると出力電力が消費電力よりも大きくなったことになり、出力電力の過剰分が商用電源側に逆流することとなるからである。図２の例では、制御装置５３０は、時刻Ｔ１からＴ２にかけて出力電力を上昇させる制御を行い、供給電力と消費電力とが等しくなったＴ２以降は、出力電力を一定に維持する制御を行う。
【００２２】
その後、時刻Ｔ３において、消費電力が増加すると、上記の式（１）に基づいて、消費電力の不足分は供給電力によって補われる。このときＣＴ６１０は、商用電源からの電力の供給を検出し、供給電力に相当するＣＴ信号を制御装置５３０に対して出力する。制御装置５３０は、当該ＣＴ信号を受領することで、給電システム５００の出力電力を増加する制御を行う。
【００２３】
一方で、時刻Ｔ３以降における消費電力はＰＯＵＴｍａｘよりも大きいことから、給電システム５００からの出力電力だけでは消費電力を賄えなくなる。そこで、図２に示すように、出力電力が最大出力電力ＰＯＵＴｍａｘに達した時刻Ｔ４以降においては、定常的に商用電源からの供給電源を受けて、消費電力の不足分をカバーする。すなわち、時刻Ｔ４以降の供給電力ＰＩＮは、消費電力ＰＬＯＡＤと、最大出力電力ＰＯＵＴｍａｘとの差分であり、下記式（２）のようにして算出される。
【００２４】
【数２】
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【００２５】
時刻Ｔ４以降のように、消費電力が最大出力電力ＰＯＵＴｍａｘよりも大きい場合には、上記式（２）のＰＩＮに相当する供給電力を受けて、消費電力を賄う。
【００２６】
上述したように、給電システム５００の出力電力は、供給電力を検出したＣＴ信号によって制御される。一方で、図２に示した例は単純化したものであり、実際の給電システム５００にはさらに複雑な制御が求められる。例えば、供給電力、出力電力、消費電力は絶えず変動し得るものであり、実用の上では給電システム５００は、各電力の変動に対して、リアルタイムで出力制御を行う必要がある。したがって、給電システム５００の製造業者は、給電システム５００の出力制御が適切であるかの試験や調整を行う。図３は、従来技術において給電システム５００の試験を行う装置構成を示す図である。
【００２７】
図３に示すように、給電システム５００の試験では、商用電源に相当する交流電源２００と、給電システム５００の運用環境を模擬した模擬負荷３００とを使用する。また、交流電源２００を供給する電線には、当該電線を流れる電流を検出するＣＴ２１０が取り付けられている。ＣＴ２１０は、給電システム５００の制御装置５３０に接続され、制御装置５３０は、ＣＴ２１０が出力するＣＴ電流に基づいて出力電力を制御する。試験環境においては、給電システム５００を評価するための測定装置（不図示）を使用し、ＰＩＮやＰＯＵＴを測定することで、制御が適切であるか否かの評価を行う。
【００２８】
給電システム５００の試験の一例として、模擬負荷３００での消費電力を変化させ、併せて出力電力を変化させる。このとき、出力電力が交流電源２００側に逆流しないように制御されているかを確認する。模擬負荷３００は、一例として電子負荷を用いることができ、定電流モード、定抵抗モード、定電力モードなど、種々の負荷モードを選択することができる。
【００２９】
定電流モードは、電圧に依らず所定の電流（交流実効値）が負荷に流れるように、模擬負荷を制御するモードである。定抵抗モードは、電圧に比例した電流が負荷に流れるように、模擬負荷を制御するモードである。定電力モードは、一定の電力が負荷に流れるように、模擬負荷を制御するモードであり、例えば電圧値が低下すると電流値が増加するように制御される。
【００３０】
ところで模擬負荷３００は、一般家庭で電力を使用する環境を模擬したものであることから、このような試験では、出力電力や供給電力は模擬負荷３００で消費されることとなる。したがって、図３に示した従来の方式において試験を行うと、電力のロスが発生するとともに、コストが増加することにもなる。また、一般に模擬負荷３００は高価であることから、これを用いて試験を行うことは、やはりコストの増加につながる。
【００３１】
そこで、ＣＴ信号に相当する模擬信号を発生させる信号発生装置１００を使用することで、模擬負荷３００を使用せずに試験を行うことができる。具体的には、本実施形態の信号発生装置１００が出力する模擬信号によって給電システム５００の出力を制御し、適切に制御されているかを評価する。図４は、本実施形態の信号発生装置１００を用いて給電システム５００の試験を行う装置構成を示す図である。また、図４には、本実施形態の信号発生装置１００に含まれる機能手段を示している。
【００３２】
信号発生装置１００は、ＣＴ１１０と、ＬＯＡＤ値設定部１２０と、電圧モニタ部１３０と、信号生成処理部１４０とを含んで構成される。以下に、各機能手段の詳細について説明する。
【００３３】
ＣＴ１１０は、出力電力を伝送する配線に取り付けられ、電磁誘導によってＰＯＵＴに相当する電流を検出する手段である。ＣＴ１１０は、検出した電流をＣＴ信号として出力する。
【００３４】
ＬＯＡＤ値設定部１２０は、実際の運用環境におけるＬＯＡＤ側での消費電力をＬＯＡＤ値として設定する手段である。ＬＯＡＤ値は、種々の電気機器が使用する電力に相当する値であり、例えば、１５０Ｗ、３ｋＷなどのように任意の値を設定することができる。ＬＯＡＤ値設定部１２０は、設定したＬＯＡＤ値を信号生成処理部１４０に出力する。なお、ＬＯＡＤ値設定部１２０では、模擬負荷のように種々の負荷モードを選択して設定することができる。なお、設定できる負荷モードは、例えば定電流モード、定抵抗モード、定電力モードなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、上述した各負荷モードを組み合わせて動作させてもよい。
【００３５】
電圧モニタ部１３０は、交流電源２００の電圧をモニタする手段である。電力は電圧と電流の積によって決定される。また、交流電力においては電圧と電流の位相関係によって電力の向きも決まる。そのため、所望の電力に対応する電流を算出するには電力系統の電圧を取得する必要がある。そこで電圧モニタ部１３０は、給電システム５００と同じ電力系統に接続されている交流電源２００の電圧と位相をモニタする。なお、ＣＴ１１０と電圧モニタ部１３０の配置は図４に示すものに限定されず、例えばＣＴ１１０と給電システム５００との間に電圧モニタ部１３０を配置してもよい。
【００３６】
信号生成処理部１４０は、ＣＴ１１０が出力するＣＴ信号と、設定された負荷の値（ＬＯＡＤ値）と、電圧モニタ部１３０がモニタした電圧値とに基づいて、模擬信号を生成する処理を実行する手段である。模擬信号は、給電システム５００の出力電力を制御するための制御信号であり、図３のＣＴ２１０が出力する信号に相当する。
【００３７】
図４に示すような本実施形態を適用する装置構成において、交流電源２００は、給電システム５００および信号発生装置１００が動作する基準となる電圧のみを出力するものである。そのため、交流電源２００は、給電システム５００が電力を消費しない場合には、電流を流すことを要せず、交流電源２００から電力が供給されない。したがって、給電システム５００の試験の際に消費される電力は、給電システム５００が出力する電力のみであり、電力消費に伴うコストを低減できる。また、図３に示したような模擬負荷３００を使用せずに給電システム５００の試験を行うことができるので、さらなるコストの低減につながる。
【００３８】
なお、図４に示す装置構成では、給電システム５００が出力した電力は、交流電源２００側に逆流することになるが、交流電源２００によっては、逆流する電力に対応した機能を有するものがある。また、逆流する電力に対応できない交流電源２００を使用する場合には、例えばＰＯＵＴｍａｘに相当する電力を吸収する固定負荷を使用して、逆流が起こらない程度にまで予め電力を消費させることで、逆流する電力に対応することができる。この場合には、ＰＯＵＴｍａｘの電力は交流電源２００から供給する必要がある。但し、一般的にはＰＯＵＴｍａｘはＰＬＯＡＤの最大値に比べて小さいことから、固定負荷を使用したとしても、従来のようにＰＬＯＡＤの最大値を交流電源２００から供給することに比べて、コストを低減できる。
【００３９】
図５は、本実施形態の信号発生装置１００における信号処理を示す図である。また、図５には、信号生成処理部１４０の詳細な構成を示している。信号生成処理部１４０は、位相検出部１４１と、ＬＯＡＤ電流生成部１４２と、減算器１４３と、出力アンプ１４４を含んで構成される。
【００４０】
信号生成処理部１４０には、電圧モニタ部１３０から出力される交流電圧データが入力される。交流電圧データは、位相検出部１４１および、ＬＯＡＤ電流生成部１４２に入力される。位相検出部１４１は、電圧モニタ部１３０からの交流電圧データに基づいて、交流電源２００の位相を検出する。ＬＯＡＤ電流生成部１４２は、交流電圧データと、負荷の設定値と、位相とに基づいて、ＬＯＡＤ電流に相当する電流を生成する。ＬＯＡＤ電流生成部１４２は、負荷のモードによってＬＯＡＤ電流値の算出方法を選択する。ＬＯＡＤ電流生成部１４２は、例えば定抵抗モードでは、「ＬＯＡＤ電流値＝モニタリングした電圧値／負荷の設定値」となるようなＬＯＡＤ電流値をリアルタイムで生成する。
【００４１】
減算器１４３は、ＬＯＡＤ電流と、ＣＴ１１０が検出したＯＵＴ電流のＣＴ信号との差分を計算する。ＬＯＡＤ電流とＯＵＴ電流との差分は、式（１）に示した入出力関係が成り立つことから、ＩＮ電流に相当する信号として出力される。なお、式（１）は、電力に係る式であるが、各系統の電圧が同じであるという前提に基づくと、電流についても同様の入出力関係が成立する。
【００４２】
ＩＮ電流に相当する信号を給電システム５００で使用するＣＴの検出感度に応じて倍率を調整する手段である。ＣＴは検出された電流に比例する電流を信号として出力するものであることから、所望のＣＴに合わせた利得に調整した電流値として出力される。出力アンプ１４４が増幅した信号は、模擬信号として給電システム５００にフィードバックされ、給電システム５００の出力電力が制御される。
【００４３】
なお、図５に示した回路は、試験を行う給電システム５００の仕様に合わせた構成とすることができる。例えば、一般家庭用の配電は、単相３線式であることが一般的であることから、家庭用の給電システム５００を試験する場合には、回路を２系統分備えた構成の信号発生装置１００を用いることができる。また、三相式で配電される事業所向けの給電システム５００の試験では、回路を３系統分備えた構成の信号発生装置１００を用いることができる。なお、上述した信号発生装置１００が備える回路の系統数は一例であって、実施形態を限定するものではなく、給電システム５００の仕様に応じて、任意の構成とすることができる。
【００４４】
また、ＬＯＡＤ値設定部１２０は、上述した負荷モードの他、特に高性能である模擬負荷が備える種々の機能を設定できる構成であってもよい。上位機種の模擬負荷は、実際の運用環境により近い状況を再現するために、負荷にコンデンサやインダクタが含まれることによる位相のずれが生じる場合を想定した制御を行うことができる。さらにまた、クレストファクタの大きい機器を想定したクレストファクタ制御を行うことができる。したがって、本実施形態のＬＯＡＤ値設定部１２０も、これらと同様の機能を実装することによって、より厳しい条件下での試験を行うことができる。
【００４５】
例えば、ＬＯＡＤ値設定部１２０において位相のずれが生じる設定がされた場合には、ＬＯＡＤ電流生成部１４２は、電圧の位相に対してずれが生じているＬＯＡＤ電流の信号を出力する。また、例えば、ＬＯＡＤ値設定部１２０においてクレストファクタの大きい機器が含まれる設定がされた場合には、ＬＯＡＤ電流生成部１４２は、電圧のピーク付近で電流が流れるようなＬＯＡＤ電流の信号を出力する。このように、種々の負荷を想定した制御を設定することで、給電システム５００の運用環境に近い状況下で出力電力の制御の試験を行うことができる。
【００４６】
なお、図４および図５において説明した信号発生装置１００に含まれる各種の機能手段は、信号発生装置１００のＣＰＵが所定のプログラムを実行することで、種々のハードウェアを機能させることにより、実現される機能手段に相当する。また、上述した各機能手段は、その全てがソフトウェア的に実現されても良いし、その一部または全部を同等の機能を提供するハードウェアとして実装することもできる。
【００４７】
また、上述した各種の信号処理は、デジタル回路によって処理されても良いし、アナログ回路によって処理されてもよい。
【００４８】
以上、説明した本発明の実施形態によれば、給電システムの出力変動に応じて、当該給電システムが検知するセンサ信号を生成する信号発生装置および方法を提供することができる。
【００４９】
上述した本発明の実施形態の各機能は、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｊａｖａ（登録商標）等で記述された装置実行可能なプログラムにより実現でき、本実施形態のプログラムは、ハードディスク装置、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ、フレキシブルディスク、ＥＥＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ等の装置可読な記録媒体に格納して頒布することができ、また他装置が可能な形式でネットワークを介して伝送することができる。
【００５０】
以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、当業者が推考しうる実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５１】
１００…信号発生装置、
１１０…ＣＴ、
１２０…ＬＯＡＤ値設定部、
１３０…電圧モニタ部、
１４０…信号生成処理部、
１４１…位相検出部、
１４２…ＬＯＡＤ電流生成部、
１４３…減算器、
１４４…出力アンプ、
２００…交流電源、
２１０…ＣＴ、
３００…模擬負荷、
５００…給電システム、
５１０…バッテリ、
５２０…変換装置、
５３０…制御装置、
６００…分電盤、
６１０…ＣＴ、
７００…電力計
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５２】
【特許文献１】特許第６１５９４７４号公報
【図１】
2020028143.tif 000005
【図２】
2020028143.tif 000006
【図３】
2020028143.tif 000007
【図４】
2020028143.tif 000008
【図５】
2020028143.tif 000009