(57)【要約】  従来のヒューズによる短絡発生点の除去では、ヒューズの特性上、短絡時における各々のヒューズの溶断時間において協調を確保することができない。このような課題を解決すべく、短絡時に配電線（２６）に流れる電流を制限するとともに、一定時間、定格電流以上の電流を配電線（２６）に流す定電力垂下特性を有する変換器（１２）と、定格電流以上の電流を検出し、一定時間内に開閉器（１７１，２７１）を階層的に開放する動作特性を有する継電器（１８１、２８１）を設けた。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源からの電力を直流電力に変換する変換器、前記変換器から複数の負荷へ電力を供給するために分岐した複数の配電線、前記変換器と前記配電線の分岐との間に接続され、電路を開閉する第１の開閉器、前記分岐と前記負荷との間に接続され、電路を開閉する第２の開閉器、前記第１の開閉器を開放する第１の継電器、前記第２の開閉器を開放する第２の継電器を備えた直流配電システムにおいて、前記変換器は、短絡時に前記配電線に流れる電流を制限するとともに、一定時間、定格電流以上の電流を前記配電線に流す定電力垂下特性を有し、前記第１および前記第２の継電器は、前記定格電流以上の電流を検出し、前記一定時間内に前記第１および前記第２の開閉器を階層的に開放する動作特性を有することを特徴とする直流配電システム。
【請求項２】
前記一定時間とは、前記定格電流以上の電流に対して前記変換器が故障せずに機能を維持できる２秒以下の期間であることを特徴とする請求項１に記載の直流配電システム。
【請求項３】
前記階層的に開放する動作特性とは、前記分岐と前記負荷との間の短絡発生時には前記第２の開閉器を前記第１の開閉器よりも先に開放し、前記変換器と前記分岐との間の短絡発生時には前記第１の開閉器を前記第２の開閉器よりも先に開放することを特徴とする請求項１または２に記載の直流配電システム。
【請求項４】
前記定格電流以上の電流値に応じて前記第１および前記第２の開閉器の開放時刻を異ならせることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の直流配電システム。
【請求項５】
前記電流値が高いほど前記開放時刻を早めることを特徴とする請求項４に記載の直流配電システム。
【請求項６】
前記第１の継電器は前記第１の開閉器に接続され、前記第２の継電器は前記第２の開閉器に接続されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の直流配電システム。
【請求項７】
前記第１の開閉器と前記第１の継電器は、ＭＣＣＢ又はヒューズで構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の直流配電システム。
【請求項８】
前記第２の開閉器と前記第２の継電器は、ＭＣＣＢ又はヒューズで構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の直流配電システム。
【請求項９】
前記電源は、商用電源、蓄電池、又は再生可能エネルギーを利用したものであることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の直流配電システム。
【請求項１０】
前記定電力垂下特性は、過負荷時と短絡時の２段階に垂下していることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の直流配電システム。
【請求項１１】
前記過負荷時の電圧領域と前記短絡時の電圧領域に応じて前記変換器からの出力電流を２段階に制限することを特徴とする請求項１０に記載の直流配電システム。
【請求項１２】
前記過負荷時の出力電流に対し、前記短絡時の出力電流を増加させた後、垂下させることを特徴とする請求項１１に記載の直流配電システム。
【請求項１３】
前記第１の継電器の過電流動作開始時刻と前記第２の継電器の過電流動作開始時刻との間隔は、前記過負荷時の前記間隔よりも前記短絡時の前記間隔のほうが短いことを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一項に記載の直流配電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は直流配電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ビル、工場、又は駅舎等の負荷へ直流電力を供給する直流配電システムが注目されている。既存の交流配電システムでは、短絡が発生した際、過電流保護継電器にて、異常電流を検出し、遮断器もしくは遮断器に類する機器で短絡発生点を健全な配電系統より切り離すことで、短絡後も健全系統は継続的に電力を給電するシステムとなっている（例えば、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２０１６−２２４０５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のデータセンタ、又は通信局舎などにおける直流配電システムでは、ヒューズによる短絡発生点の除去が一般的であるが、ヒューズの特性上、給電部から負荷までの経路に２箇所以上設置した場合、短絡時における各々のヒューズの溶断時間において協調を確保することができない。【０００５】
そのため、給電部から負荷までの経路にヒューズを１箇所設置するのが一般的であるが、短絡時にヒューズより負荷側は系統から切り離されるため、ヒューズの設置個所によっては停電が広範囲になることもある。【０００６】
本願は、上述のような問題を解決するためになされたもので、短絡発生時に停電範囲を少なくし、安定的に電源供給可能な直流配電システム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】
本願に開示される直流配電システムは、電源からの電力を直流電力に変換する変換器、この変換器から複数の負荷へ電力を供給するために分岐した複数の配電線、変換器と配電線の分岐との間に接続され、電路を開閉する第１の開閉器、分岐と負荷との間に接続され、電路を開閉する第２の開閉器、第１の開閉器を開放する第１の継電器、第２の開閉器を開放する第２の継電器を備えたものであって、変換器は、短絡時に配電線に流れる電流を制限するとともに、一定時間、定格電流以上の電流を配電線に流す定電力垂下特性を有し、第１および第２の継電器は、定格電流以上の電流を検出し、一定時間内に第１および第２の開閉器を階層的に開放する動作特性を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本願に開示される直流配電システムによれば、短絡発生時に確実に電路を開放するとともに、停電範囲を少なくすることで安定した電源供給が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１の直流配電システムの構成概念図である。
【図２】実施の形態１に係る変換器の構成概念図である。
【図３】実施の形態１に係る変換器の定電力垂下特性を示す図である。
【図４】実施の形態１に係る電流制限制御部のハードウエア構成の一例を示す図である
【図５】電流制限装置の垂下特性の一例を示す図である。
【図６】実施の形態１に係る変換器の短時間耐電流特性の一例を示す特性図である。
【図７】実施の形態１の直流配電システムの別の構成概念図である。
【図８】実施の形態２に係る変換器の定電力垂下特性を示す図である。
【図９】実施の形態２に係る継電器の過電流動作曲線を示す図である。
【図１０】実施の形態４の直流配電システムの構成概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本願に係る電力制御装置の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、同一内容および相当部については同一符号を配し、その詳しい説明は省略する。以降の実施形態も同様に、同一符号を付した構成について重複した説明は省略する。
【００１１】
実施の形態１
図１に、本願が適用された実施の形態１の直流配電システムの構成の一例を示す。電気室１内の商用電源１１より供給される交流電力を、変換器１２により直流電力に変換する。変換された直流電力は、変換器１２に接続された開閉器１７１を介して配電線２６により電気室２に送られる。電気室２内では、配電線２６から配電線２７が分岐している。従って、配電線２６及び配電線２７に接続された開閉器２７１、２７２を介して、負荷２４１、２４２に各々給電される。開閉器１７１、２７１、２７２は短絡電流発生時に開放してこれを遮断するためのものである。開閉器１７１、２７１、２７２のそれぞれが接続された配電線２６、２７の前段に継電器１８１、２８１、２８２が接続され、継電器１８１、２８１、２８２は短絡電流を検出し、開閉器１７１、２７１、２７２にトリップ指令（開放指令）を出力する。
【００１２】
変換器１２からの出力は分岐して接続された開閉器１７２、１７３にも送電接続され、開閉器１７２から配電線１６２を介して電気室３に配電され、開閉器１７３から配電線１６３を介して電気室４に配電される構成とする。なお、電気室３、電気室４の構成は、電気室２と同様な回路構成であるので、説明を省略する。
【００１３】
変換器１２は、図２に示す通り、交流電力を直流電力に変換する整流部１００と整流部１００からの出力電流を制限する電流制限装置２００とからなる。電流制限装置２００は、スイッチング素子にて構成され出力電流を抑制する電流制限部２０１、出力電流を測定する電流センサ２０２、出力電圧を測定する電圧センサ２０３、電流センサ２０２で測定された電流計測値と電圧センサ２０３で測定された電圧測定値より、あらかじめ設定された最大出力電流設定値以下になるようなスイッチング信号を算出する演算を行う電流制限制御部２０４で構成される。このような構成により、電流制限制御部２０４からのスイッチング信号に基づき、電流制限部２０１のスイッチング素子が動作することで、短絡時においても図３のような垂下特性、すなわち、定格電流までは所定の電圧を維持し、定格電流を越えると右肩下がりに出力電圧Ｖｏｕｔが低下する特性を変換器１２は備えている。この出力電圧の低下は、過負荷状態又は短絡発生時における定格電流を超えた大電流が図１で示す地点１５で生じた場合に、図３に示すように右肩下がりに出力電圧を急速に低下させ、過大な電気エネルギーが開閉器１７１、２７１等に流れないようにしている。
【００１４】
電流制限制御部２０４のハードウエアの一例を図４に示す。プロセッサ２０４１と記憶装置２０４２から構成され、図示していないが、記憶装置２０４２はランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ２０４１は、記憶装置２０４２から入力されたプログラムを実行し、上述した機能の一部又は全部を遂行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ２０４１にプログラムが入力される。また、プロセッサ２０４１は、演算結果等のデータを記憶装置２０４２の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。
【００１５】
垂下特性を、図５に示すような、変換器１２自身の過電流保護のために、いわゆるフの字形の低下で電流を抑制すると、例えばヒューズを溶断するほどのエネルギーを供給することができないため、健全な系統と短絡発生地点を切り離すことができず、変換器１２が停止に至り、直流配電系全体で停電が発生する恐れがある。そのため、短絡時に定格電流以上の電流で、且つ変換器１２がある一定時間以下、例えば２秒以下であれば、電流を流しても故障せずに機能を維持できるような短時間過電流以下に出力電流を抑制する定電力垂下特性とする。短時間過電流以下とは具体的には、変換器１２内部の整流部１００の半導体素子の耐量により定まるため、変換器１２の機器構成毎に異なるが、定格電流以上で、定格電流のおよそ２０倍程度までの電流値となるように設定する。
【００１６】
これにより、図１で示す地点２５で短絡が生じた場合、開閉器２７１、２７２が過電流を遮断するための開放動作をする第１の時限後に開閉器１７１〜１７３が開放動作をできる程度の第２の時限を確保する。この第１と第２の時限差は過電流を検出し、開閉器２７１、２７２の主接点が開離するまでを考慮して、最低０．１秒以上は変換器１２が定格電流以上の電流を流し続けるようにすればよい。また、機器の故障を考慮し、電流を流し続ける時間は、機器が故障しない範囲、例えば２秒以下に設定すればよい。
【００１７】
また、開閉器２７１、２７２の更に負荷側に開閉器を設けた系統においては、開閉器２７１、２７２と、開閉器２７１，２７２の更に負荷側に設けた開閉器との動作時限差、及び開閉器１７１〜１７３と開閉器２７１、２７２との動作時限差を確保するため、変換器１２が定格電流以上の電流を最低０．２秒以上流し続けるようにすればよい。
【００１８】
図６は、変換器１２の短時間耐電流特性の一例を示す特性図であり、横軸に通電時間ｔを、縦軸に出力電流Ｉｏｕｔを表している。斜線部は、許容できる短時間耐電流の範囲を示している。継電器１８１〜１８３、２８１、２８２は、曲線部Ｔに沿った短時間耐電流が流れた際に動作を行う特性を備えることで、確実にトリップ指令を出力し、開閉器１７１〜１７３、２７１、２７２を動作させて、直流配電システムを保護することが可能となる。
【００１９】
以上説明したような垂下特性を有する変換器１２と継電器１８１〜１８３、２８１、２８２を有する直流配電システムの動作を図１において説明する。
図１において、地点２５で短絡が生じた際、変換器１２から電気室１内の開閉器１７１と電気室２内の開閉器２７１を介して、定格電流以上の短絡電流が最大２秒間流れる。この期間内に、継電器１８１と継電器２８１とで短絡電流を検出するが、継電器１８１の過電流動作時間は継電器２８１の過電流動作時間よりも遅く動作させる設定とすることで、継電器２８１が先に動作して、開閉器２７１へトリップ指令を出力し、開閉器１７１よりも開閉器２７１が先に開放される。これにより、地点２５が健全な回路から切り離され、負荷２４１のみの停電となり、健全な回路（配電線２７）は負荷２４２へ継続的に配電可能となる。
【００２０】
また、図１中、地点１５にて短絡が発生した場合は、変換器１２から電気室１内の開閉器１７１を介して地点１５に短絡電流が流れる。これにより、継電器１８１が動作し、開閉器１７１を開放し、電気室２内の負荷のみが停電となる。従って電気室３内の負荷、電気室４内の負荷へは継続的に配電可能となる。
【００２１】
図１の構成では、短絡電流の検出機構である継電器と継電器からの指令により短絡電流を遮断する開閉器の２つの機器の構成としているが、継電器と開閉器の機能を両方持ち合わせた機器、例えば、ＭＣＣＢ（Molded Case Circuit Breaker）又はヒューズを、配電線２６または配電線２７に直列に接続する構成であってもよい。この場合、ＭＣＣＢの過電流動作特性またはヒューズ動作特性において、短絡電流における動作時限が確保されていることが必要である。ヒューズの動作特性の場合、開閉器としての通常の保護機能を維持できる上限の電流を超える電流に対してヒューズが動作するように設定する。また、ＭＣＣＢの場合、ＭＣＣＢの瞬時動作閾値がおよそＭＣＣＢ定格電流の２０倍であり、変換器二次側直近で短絡が発生しても、瞬時要素でＭＣＣＢを動作させることが可能となる電流値として、定格電流のおよそ２０倍程度となる電流値を設定する。
【００２２】
このように、短絡が生じた際に、電流制限装置２００が内蔵された変換器１２で短絡電流を制限する特性を制御し、継電器及び開閉器との保護協調を確保し、直流配電システム全体を停止させることなく、停電範囲を出来るだけ限定することができる。
【００２３】
なお、図２では電流制限装置２００と整流部１００は１つのケースに収納されているが、図７のように、整流部１００と電流制限装置２００とをそれぞれ別体として変換器１２を構成することで、電流制限装置２００の不具合による変換器１２の損傷を防止することができると共に、変換器全体の交換ではなく、電流制限装置のみの交換で済む。また、別体で変換器１２を構成しても、地点１５、地点２５で生じた短絡に対し、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００２４】
実施の形態２
図８は、実施の形態２による変換器１２の出力特性（出力電圧特性−出力電流特性）を示す。横軸に出力電流Ｉout、縦軸に出力電圧Ｖoutを示す。図３同様、出力電流０から定格電流値Ｌまでは一定の定格電圧値で出力電流を出力するが、定格電流値を何割か超える過負荷状態、あるいは過負荷状態をさらに超えた短絡状態では、出力電流は定格電圧よりも低下するような垂下特性を持たせている。
【００２５】
実施の形態１の図３の特性と異なる点は、図８においては、特性線Ｓがほぼ直線状に右下に垂下するのではなく、過負荷状態と短絡状態の２段階に垂下するようにしている。
【００２６】
より具体的には、過負荷状態では、図８において、定格電流値Ｌから右側（正側）に延在する過負荷電流領域と、それに対応する出力電圧との関係は、特性線Ｓの領域Ａ−Ｂの間で変化し、過負荷電流領域Ｇに対応する出力電圧の領域を過負荷電圧領域Ｊとする。このような出力特性において、例えば、過負荷時の電流Ｉ１における出力電圧は、特性線ＳのＥ点の縦軸に対応する出力電圧値Ｖ１となる。
【００２７】
また、短絡状態では、短絡電流領域と、それに対応する出力電圧との関係は、特性線Ｓの領域Ｃ−Ｄの範囲で変化し、短絡電流領域Ｈに対応する出力電圧の領域を短絡電圧領域Ｋとする。このような出力特性において、例えば、短絡時の電流Ｉ２における出力電圧は特性線上のＦ点の縦軸に対応する出力電圧値Ｖ２となる。
【００２８】
このように、過負荷電圧領域Ｊと短絡電圧領域Ｋに対応して出力電流を２段階に変化させ、過負荷あるいは短絡による出力電圧の低下の度合いに応じて出力電流も２段階に変化するような垂下特性を持つ電流制限機能を具備させている。
【００２９】
また、出力電流の過負荷電流領域Ｇにおける最大点（Ｍ点）を超える場合は、過負荷状態とは明確に区別するために、図８に示す特性線Ｓにおいて、出力電流を領域Ｂ−Ｃ間で急増させるような特性を持たせている。これにより、過負荷電流領域Ｇにおける最大点（Ｍ点）を超えた場合は、出力電流値が急増し、特性線Ｓ上の領域Ｃ−Ｄの短絡電流領域Ｈの範囲でこの直流配電システムの特性に対応した短絡電流が流れるようにする。
【００３０】
図８に対応する、図１に記載の継電器１８１の過電流動作曲線Ｕ、継電器２８１の過電流動作曲線Ｒの一例を図９に示す。縦軸は継電器の動作開始時刻ｔを、横軸は図８で示した、変換器１２の出力電流Ｉoutを示す。継電器２８１は、過負荷時の電流Ｉ１では、動作開始時刻ｔ３で動作し、短絡時の電流Ｉ２では動作開始時刻ｔ１で動作する。同様に、継電器１８１は、過負荷時の電流Ｉ１では動作開始時刻ｔ４で動作し、短絡時の電流Ｉ２では動作開始時刻ｔ２で動作する。このようにして、定格電流を何割か超える程度の過負荷時においては、継電器１８１と継電器２８１の動作開始時刻ｔ３、ｔ４の差を、直流配電システムに障害が生じない範囲の所定時間の範囲内において、可能な範囲で長くするように設定することで、過負荷電流の通電を維持して過負荷に伴う停電発生のリスクを回避するようにしている。なお、図９の継電器の過電流動作曲線は、実施の形態１においても適用可能である。
【００３１】
また、短絡発生時には、動作開始時刻ｔ１、ｔ２の差を短くし、継電器１８１及び継電器２８１を順次動作させて直流配電システムを早急に保護するとともに、図１の地点２５で短絡が発生した場合、継電器２８１の動作開始時刻ｔ１を継電器１８１の動作開始時刻ｔ２よりも早く設定することで、短絡発生時における直流配電システムの停電範囲をできるだけ狭い範囲に限定することを可能としている。
【００３２】
また、図９において、継電器２８１の過電流動作曲線Ｒの曲率の最大点Ｑを挟んで、過負荷状態での動作開始時刻ｔ３と、短絡状態での動作開始時刻ｔ１との間隔が大きくなるように継電器２８１の特性曲線を設定することにより、直流配電システムの過負荷状態での通電可能時間を大きくすることが可能となるため、直流配電システムの短絡に伴う停電範囲を限定するための制御を容易に行うことが可能となる。
なお、上記の説明は、継電器１８１、継電器２８１にて説明したが、図１中、継電器１８２、１８３、あるいは継電器２８２についても、上述した継電器１８１と継電器２８１の相互関係と同様の関係になるように設定するものとする。
【００３３】
実施の形態３
図１では電気室２内の各分岐から開閉器２７１、２７２を介して負荷２４１、２４２へ給電する構成であるが、開閉器２７１の出力側から他の電気室の負荷に配電する構成においても、電気室２と同様に、他の電気室に設置された継電器と、電気室１内の継電器１８１と、電気室２内の継電器２８１、２８２との間で、短絡電流における動作時限が確保されることで同様の効果を得ることが可能である。
【００３４】
実施の形態４
図１では商用電源１１からの電力を直流電力に変換するシステム構成としているが、図１０のように、商用電源１１以外の、蓄電媒体１１２、太陽電池及び風力発電機等の再生可能エネルギー１１３を電源とし、図３又は図９のような垂下特性を持った変換器１２２、１２３で構成されるシステムにおいても、地点１５、地点２５で生じた短絡に対し、実施の形態１又は２と同様の効果を得ることができる。
【００３５】
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
【符号の説明】
【００３６】
１、２、３、４：電気室、１１：商用電源、１２、１２２、１２３：変換器、２６、２７、１６２、１６３：配電線、１１２：蓄電媒体、１１３：再生可能エネルギー、１７１、１７２、１７３、２７１、２７２：開閉器、１８１、１８２、１８３、２８１、２８２：継電器、２００：電流制限装置、２０１：電流制限部、２０２：電流センサ、２０３：電圧センサ、２０４：電流制限制御部、２４１、２４２：負荷
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
2020070905.tif 000013
2020070905.tif 000014
2020070905.tif 000015
2020070905.tif 000016