(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用電源と負荷との間に接続され、通常時は前記商用電源から負荷へ給電し、前記商用電源が瞬低または停電する非常時はキャパシタから負荷へ給電する非常用電源装置であって、
前記キャパシタの充放電を制御するキャパシタ制御装置を備え、
前記キャパシタ制御装置は、通常時に前記キャパシタのセル電圧を定格電圧である平均２．７Ｖよりも平均１セルあたり０．４Ｖから０．２Ｖ低い電圧レベルで保持する第一のモードに制御し、非常時予測信号に基づいて前記キャパシタを前記定格電圧レベルで保持する第二のモードに制御することを特徴とする非常用電源装置。
【請求項２】
前記非常時予測信号は、雷情報に基づいて生成されることを特徴とする請求項１に記載の非常用電源装置。
【請求項３】
前記商用電源から前記負荷への給電が遮断されたときに前記負荷および前記キャパシタに給電する発電機を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の非常用電源装置。
【請求項４】
前記負荷およびキャパシタに給電する太陽電池を設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の非常用電源装置。
【請求項５】
前記キャパシタ制御装置は、通常時において、前記太陽電池により発電された電力の急激な増加分をキャパシタに充電し、前記太陽電池により発電された電力の急激な減少分を前記キャパシタから負荷へ放電するように制御することを特徴とする請求項４に記載の非常用電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、キャパシタを有する非常用電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、キャパシタを電源とする瞬低補償装置として、通常時は商用電源から高速遮断スイッチを通して負荷へ電力が供給されていると共に、商用電源からインバータを介してキャパシタを定格電圧で充電し、商用電源に瞬低が生じると、瞬時に高速遮断スイッチを開放し、キャパシタに蓄えられた電力をインバータを介して負荷へ供給するものがある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６‐７４９０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような瞬低補償装置等の非常用電源装置におけるキャパシタは、瞬低に備えて常に最大数百Ｖの定格電圧で保持されている。ところが、キャパシタは充電電圧が高くなるほど寿命が短くなる性質があり、例えば、１セルあたりの充電電圧が０．１Ｖ上がると寿命が半減してしまうので、キャパシタの劣化が大きいという問題点があった。また、キャパシタのセル電圧を高めるほどリーク電流も大きくなるので、定格電圧で充電されることによって電力の損失も大きくなるという問題点もあった。
【０００５】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、キャパシタの劣化が少ない非常用電源装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る非常用電源装置は、商用電源と負荷との間に接続され、通常時は商用電源から負荷へ給電し、商用電源が瞬低または停電する非常時はキャパシタから負荷へ給電する非常用電源装置であって、キャパシタの充放電を制御するキャパシタ制御装置を備え、このキャパシタ制御装置は、通常時にキャパシタのセル電圧を定格電圧である平均２．７Ｖよりも平均１セルあたり０．４Ｖから０．２Ｖ低い電圧レベルで保持する第一のモードに制御し、非常時予測信号に基づいてキャパシタを定格電圧レベルで保持する第二のモードに制御するようにしたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、キャパシタを定格電圧で保持する時間を極力短くして、キャパシタの劣化が少なく、所望の機能を発揮できる非常用電源装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１に係る非常用電源装置を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る非常用電源装置に停電が起きた場合の運転状況のタイムチャートを示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る非常用電源装置に停電が起きた場合の商用電源、負荷、キャパシタおよび発電機の時間変化を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態２係る非常用電源装置を示す構成図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１ないし３は、この発明を実施するための実施の形態１に係る非常用電源装置を示すものであって、図１はその構成を示す図、図２は停電が起きた場合の運転状況のタイムチャートを示す図、図３は停電が起きた場合の商用電源、負荷、キャパシタおよび発電機の時間変化を示す図である。
【００１０】
非常用電源装置１は、図１に示すように、商用電源８と負荷１５との間に設置され、商用電源８の瞬低または停電を検出する停電検出回路９と、該回路９により瞬低または停電が検出された場合に商用電源８を解列するリレー回路１０と、前記電源８から供給される交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ１１と、該コンバータ１１と交流負荷１５ａとの間に設けられ、該コンバータ１１によって変換された直流電力を所定の交流電力に再変換するインバータ１３と、前記コンバータ１１と直流負荷１５ｂとの間に設けられ、前記コンバータ１１によって変換された直流電力を所定の直流電力に再変換するＤＣ／ＤＣコンバータ１４とを備えている。また、非常用電源装置１は、商用電源８から供給される電力を貯蔵するキャパシタ２と、このキャパシタ２を充放電する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３と、該コンバータ３の充放電電圧を制御し、且つキャパシタ２の保持電圧をモニターするキャパシタ制御装置４と、非常用電源装置１の外部に位置する指令装置６から発令される非常時予測信号を前記制御装置４に伝達する通信手段５と、停電時に電力を発電し、負荷１５およびキャパシタ２へ供給する１００ＫＷ級ディーゼルエンジンを備えた発電機１７と、該発電機１７およびキャパシタ２から負荷１５へ供給する電力を平滑化する平滑コンデンサ１２と、非常用電源装置１全体を制御する制御装置７とを備えている。
【００１１】
上記の非常時予測信号は、非常用電源装置１に瞬低または停電が発生する非常時が予測された場合に発令される信号であり、非常用電源装置のこれまでの運用実績から、ほとんどの場合、落雷時に瞬低または停電が発生していることが分かっているので、非常用電源装置１を設置する場所の商用電源８の管理区域内に雷雨が近付いた場合に発令される。なお、雷雨に見舞われるのは夏場の夕方の１時間程度である場合が多く、このような雷雨は年間を通じて５０回程度の頻度で発生するので、キャパシタ２が放電する可能性が高いのは年間を通じて約５０時間でありその他の約８０００時間は放電する可能性が低い。
【００１２】
キャパシタ２は、１ＭＷ１．２秒、即ち１．２ＭＪの電力貯蔵能力を有しており、２０セルモジュールを１６モジュール直列に接続した合計３２０セルのキャパシタセルで構成されている。このキャパシタセルは、１２００Ｆ級の電気二重層キャパシタであって、その有効貯蔵電力は約３．５ｋＪである。また、この電気二重層キャパシタの定格電圧は２．７Ｖであり、１．２〜２．７Ｖの電圧範囲で使用する。
なお、キャパシタ２の電圧が１／２に低下した場合、電流を２倍に増やさなければ同じ電力を取り出すことができないが、電流を大幅に増やすには双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３の最大許容電流を上げる必要があり、最大許容電流を上げるためには該コンバータ３のスイッチング素子を並列化しなければならず、コストが増大してしまう。また、電流の２乗に比例して配線ロスも増えることになる。したがって、通常は１．２Ｖ以下の貯蔵電力は取り出さない。
【００１３】
次に動作について説明する。
通常時において、商用電源８から供給された交流電力は、停電検出回路９およびリレー回路１０を通してＡＣ／ＤＣコンバータ１１に伝達されて直流電力に変換される。この直流電力は、インバータ１３およびＤＣ／ＤＣコンバータ１４に伝達され、インバータ１３で交流電力に再変換された後に交流負荷１５ａに供給され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４で直流電力に再変換された後に直流負荷１５ｂに供給される。
【００１４】
また、商用電源８から供給された電力は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３に伝達され、キャパシタ制御装４により該コンバータ３の出力電圧が調整されてキャパシタ２に給電され、キャパシタ２は、セル電圧が平均２．５Ｖに充電される。充電後は、キャパシタ２のセル電圧が自己放電により平均２．３Ｖ以下に低下するまで再充電せず、平均２．３Ｖ以下に低下したときに再び平均２．５Ｖまで充電するようにキャパシタ制御装置４により双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３は制御される。
このように、キャパシタ２を定格電圧よりも低い電圧レベルで保持するモードを、以下、第一のモードと称する。
【００１５】
次に、非常用電源装置１を設置する場所の商用電源８の管理区域内に雷雨が近付いて落雷の危険性が高まると、外部の指令装置６から非常時予測信号が発令され通信手段５を介してキャパシタ制御装置４に送信される。これを受けたキャパシタ制御装置４は、図２に示すように、キャパシタ２のセル電圧が平均２．７Ｖになるように双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３を制御し（Ａ点）、充電が完了して瞬低または停電に備える（Ｂ点）。
このように、キャパシタ２を定格電圧レベルで保持するモードを、以下、第二のモードと称する。
【００１６】
そして、落雷が起こって停電が発生すると（Ｃ点）、停電検出回路９はこれを検出してリレー回路１０を切って商用電源８を解列し、キャパシタ２から負荷１５への給電が開始する。この時、図３に示すように、発電機１７の電源がＯＮされ、停電発生から２秒後（Ｄ点）に発電機１７のエンジンが起動されアイドル運転状態を経て停電発生から８秒後（Ｅ点）に発電を開始し、負荷１５およびキャパシタ２への給電が始まり、キャパシタ２は部分充電される。発電開始直後には、発電機１７は最大出力で運転し、その後、最大出力運転から高効率運転への移行を開始し（Ｆ点）、移行後（Ｇ点）は高効率運転を継続する。このとき、発電機１７が供給する電力に対して負荷１５が消費する電力が大きい場合には、キャパシタ２を放電し、発電機１７から供給される電力とキャパシタ２から供給される電力とを合成して負荷１５へ供給することで負荷を平準化する。そして、商用電源８が復電すると（Ｈ点）、商用電源８から負荷１５およびキャパシタ２への給電が再開される。この時点で発電機１７は発電を停止して再びアイドル運転状態に維持される。そして、キャパシタ２の充電が完了して第二のモードへ移行（Ｉ点）した後に、発電機１７を停止させる（Ｊ点）。
【００１７】
その後、瞬低または停電が発生する危険性が低下して非常時が解消されると、外部の指令装置６から通常時を示す信号が発令され通信手段５を介してキャパシタ制御装置４に送信される。これを受けたキャパシタ制御装置４は、第二のモードから第一のモードに切り替える。
【００１８】
なお、上記の瞬低は２秒以内で終わることが多く、２秒以内の瞬低が発生した場合には、キャパシタ２のみから負荷１５へ電力を供給し、発電機１７は電源をＯＮにするのみでエンジンは起動させない。
また、キャパシタ２を第一のモードに制御している際に瞬低または停電が発生しても、平均２．５Ｖのセル電圧で充電したキャパシタ２の貯蔵電力は、平均２．７Ｖのセル電圧で充電した貯蔵電力の約８０％に相当し、１ＭＷを１．０秒、すなわち１ＭＪの電力を出力するので、十分にその機能を発揮することができる。
【００１９】
本実施の形態によれば、通常時は、キャパシタ２を定格電圧よりも低い電圧レベルに保持する第一のモードに制御し、瞬低または停電が発生する非常時が予測された場合は、この非常時の予測に基づいて発令される非常時予測信号に応じて、キャパシタ２を定格電圧レベルに保持する第二のモードに切り替えるように制御しているので、瞬低または停電のリスクが低い大部分の時間は低い電圧レベルで保持されてキャパシタ２の劣化が低減され、瞬低または停電のリスクが高い時間は定格電圧レベルで保持されて所望の機能を発揮できる非常用電源装置を得ることができる。また、リーク電流による電力損失を低減することができる。
【００２０】
また、第一のモードにおいて、キャパシタ２のセル電圧を平均２．５Ｖで充電した後、
自己放電により平均２．３Ｖ以下に低下するまで再充電せず、平均２．３Ｖ以下に低下したときに再び平均２．５Ｖまで充電するようにしているので、充電を継続することによるリーク電流を少なくして電力損失をさらに低減することができる。さらに、キャパシタ２のセル電圧を０．１Ｖ低くすると寿命が２倍になるので、平均２．５Ｖのセル電圧で保持することにより、定格電圧である平均２．７Ｖのセル電圧で保持する場合と比較して寿命を４倍にすることができる。
【００２１】
また、停電時において、発電機１７から供給される電力とキャパシタ２から供給される電力とを合成して負荷１５へ電力を供給し、負荷を平準化するようにしたので、負荷の変動に伴う発電機１７の無理な変動運転を抑止して、発電機１７の劣化を防止することができる。さらに、変動運転の抑止によりディーゼルエンジンの排ガス触媒の条件を一定に保てるので、不完全燃焼による煤およびＣＯの発生や、過剰空気によるＮＯＸの発生を抑えてクリーンな排ガスに保つとともに、騒音を小さくすることができる。
【００２２】
また、落雷による瞬低は２秒以内で終わる場合が多く、発電機１７を起動させても負荷１５への給電を行う可能性は低いので、２秒後にエンジンを起動しスタンバイ状態として、８秒後に発電を開始することで、起動によってディーゼルエンジン発電機１７の寿命が劣化することを防止することができると共に、スタンバイ状態を確保することでエンジンの起動を僅かではあるが早めることができる。
【００２３】
なお、雷雨以外にも、雷雲や台風の接近、地震、非常用電源装置１が設置されている地域での火災など、商用電源８に影響を与える可能性のある場合に瞬低または停電が発生する危険性が高くなるので、このような場合においても、外部の指令装置６から非常時予測信号が発令され、第一のモードから第二のモードへ切り替える。
また、太陽電池の普及が進んだ地域では、瞬低または停電が発生する危険性が高い。マイクログリッドまたはスマートグリッドと呼ばれる系統連携によって系統の安定性を保つ努力がなされているが、太陽が南中する正午前後の時間帯において晴天に雲がある場合には、太陽が雲に隠れると発電電力が急激に低下し、太陽が雲から出ると急激に発電電力が回復するので、太陽電池の出力変動が大きくなり、系統が安定化しきれずに瞬低または停電が発生してしまう恐れがある。このような場合においても、外部の指令装置６から非常時予測信号が発令され、第一のモードから第二のモードへ切り替える。
【００２４】
また、外部の指令装置６は、非常用電源装置１のメーカーに設置することができる。このようにすることで、メーカーはユーザーへのサービスとして局所的な天気予報を監視し、前記装置１が設置されている地域が雷雨に見舞われる危険性が生じた場合に非常時予測信号を発令し、無線、携帯電話またはインターネットなどを介して、第一のモードから第二のモードへ切り替えることができる。また、外部の指令装置６は、非常用電源装置１のユーザーが自ら設置して運用しても良く、天気予報サービス会社等から提供される気象情報に基づき非常時予測信号を発令し、これに応じて第一のモードから第二のモードへ切り替えるようにしてもよい。また、非常用電源装置１の運転状況を通信手段５を介して外部の指令装置６に伝達し、この情報を該電源装置１のメンテナンスに利用するようにしてもよい。
【００２５】
なお、キャパシタ２の充放電を行う際に、充電電流を放電電流よりも小さくするようにしてもよい。キャパシタは、充電時には発熱し放電時には吸熱する性質と、その温度が７℃上昇すると寿命が半減する性質とを有しているので、このようにすることで、キャパシタ２の充電に伴う温度上昇を抑制し、劣化を防止することができる。
【００２６】
また、通常時において、負荷１５の消費電力が規定値よりも高くなった場合には、キャパシタ２に貯蔵されている電力を負荷１５へ供給するようにしてもよい。このようにすることで、契約電力の増加を防ぐことができ、大きなユーザーメリットが得られる。負荷１５の消費電力が契約電力を超えるのは、夏場の昼頃にエアコンを運転することが原因となる場合が多く、年間を通して数日であり、その時間は１〜２時間である。さらに、キャパシタ２に貯蔵されている電力を負荷１５へ供給すると共に、発電機１７を起動させて、発電機１７からの電力も負荷１５へ供給するようにしてもよい。このようにすることで、負荷１５の消費電力が規定値を大きく超えた場合でも、契約電力の増加を防ぐことができる。
【００２７】
また、停電時において、負荷１５の消費電力が、発電機１７から供給される電力とキャパシタ２から供給される電力とを合成した電力供給量を超える場合には、制御装置７によってインバータ１３およびＤＣ／ＤＣコンバータ１４の出力電圧を下げるように制御し、負荷１５への供給電圧を下げるようにしてもよい。１００Ｖ系の場合、電圧低下に伴って消費電力が下がる負荷や、９０Ｖを下回ると動作不能になる負荷もあるので、このようにすることで、負荷が軽減され、電圧が低下しても動作可能である負荷の使用を継続することができる。さらに、停電を許容できない負荷には昇圧コンバータを設け、負荷への供給電圧が低下した際に、この昇圧コンバータで供給電圧を昇圧して動作を継続するようにしてもよい。
【００２８】
また、停電時において、負荷１５の消費電力が発電機１７から供給される電力とキャパシタ２から供給される電力とを合成した電力供給量を超える場合には、直流負荷１５ｂへの電力供給を交流負荷１５ａへの電力供給に優先して行うようにしてもよい。このようにすることで、ＬＥＤ照明やパソコンなどの直流電力で動作可能な負荷の信頼性を高めることができる。さらに、非常時においても動作を継続させたい負荷は予め直流配電に接続しておくという選択肢が生まれるので、ユーザーの利便性が増す。
【００２９】
実施の形態２．
図４は、この発明を実施するための実施の形態２に係る非常用電源装置１Ｂの構成を示す図である。実施の形態１では、非常用電源装置１を商用電源８と負荷１５との間に設置する構成を示したが、図４に示すように、非常用電源装置１Ｂを商用電源８および太陽電池１８と負荷１５との間に設置するようにしてもよい。非常用電源装置１Ｂは、太陽電池１８から供給された電力を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ１９と、該コンバータ１９に接続され、太陽電池１８への電力の逆流を防止するダイオード２０とを備え、これらを制御装置７で制御するように構成されており、その他の構成は実施の形態１と同様である。
【００３０】
次に動作を説明する。
太陽電池１８から供給された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９で所定の直流電力に変換された後、商用電源８から供給された電力と合成される。この合成された電力は、インバータ１３およびＤＣ／ＤＣコンバータ１４を介して負荷１５へ供給されると共に、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３を介してキャパシタ２に供給される。
【００３１】
太陽電池１８から供給される電力は天候状態によって急激に変化し、この急激な変化がそのまま商用電源８に逆流すると、高調波成分が悪影響を与えて不具合が生じる恐れがあるので、通常時において、キャパシタ制御装置４は、キャパシタ２を第一のモードに制御すると共に、太陽電池１８の発電する電力が急激に減少した場合には、この減少分の電力をキャパシタ２から負荷１５へ供給し、太陽電池１８の発電する電力が急激に増加した場合には、この増加分の電力をキャパシタ２に充電するように制御することで太陽電池１８の出力電力を平準化する。
【００３２】
本実施の形態によれば、キャパシタ２は、太陽電池１８の出力電力の急激な変化分を充放電して平準化しているので、太陽電池１８の商用電源８に対する急激な変化の影響が緩和され、電力会社にとって大きなメリットが生じる。
【００３３】
なお、太陽電池１８の出力電力をキャパシタ２に充放電する場合も、充電電流を放電電流よりも小さくするようにしてもよい。このようにすることで、キャパシタ２の充電に伴う温度上昇を抑制し、劣化を防止することができる。
【００３４】
なお、上記各実施の形態では、キャパシタ２として３２０セルの電気二重層キャパシタを直列に繋いだ構成を示したが、リチウムイオンキャパシタや、ハイブリッドキャパシタ、リチウムイオン電池とリチウムイオンキャパシタとをセル内部で複合化した複合型キャパシタなどの各種キャパシタを用いても同様の効果を得ることができる。また、非常用電源装置の非常時の電源としてキャパシタ２および発電機１７を用いる構成を示したが、これに加えて、リチウムイオン電池や、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、ナトリウム硫黄電池などの各種バッテリを非常用電源装置に設けて非常時の電源とする構成としてもよい。また、発電機としては、直流発電機であるディーゼルエンジンを備えた発電機１７を用いた構成を示したが、誘導機や同期機などの交流発電機を交流側に接続する構成としてもよく、この交流発電機はコンバータを介して直流側に接続しても良い。
【符号の説明】
【００３５】
１、１Ｂ  非常用電源装置
２  キャパシタ
３  双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ
４  キャパシタ制御装置
８  商用電源
１５  負荷
１７  発電機
１８  太陽電池
【図１】
0005539094.tif 000002
【図２】
0005539094.tif 000003
【図３】
0005539094.tif 000004
【図４】
0005539094.tif 000005