(57)【要約】  実施形態に係る電力供給システムは、少なくとも１つ以上のインバータ電源と、制御装置と、電流供給装置と、を備える。インバータ電源は、電力系統に設けられた送電線に接続される。制御装置は、インバータ電源の出力状態に基づいて、インバータ電源から送電線への電流出力を制限する。電流供給装置は、送電線に対してインバータ電源と並列に接続され、制御装置がインバータ電源の電流出力を制限している時に送電線へ電流を出力する。
2020121466.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統に設けられた送電線に接続される少なくとも１つ以上のインバータ電源と、
前記インバータ電源の出力状態に基づいて、前記インバータ電源から前記送電線への電流出力を制限する制御装置と、
前記送電線に対して前記インバータ電源と並列に接続され、前記制御装置が前記インバータ電源の電流出力を制限している時に前記送電線へ電流を出力する電流供給装置と、
を備える電力供給システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記インバータ電源の電流出力を制限してから所定時間経過したときに、前記インバータ電源の電流出力を再開させる、請求項１に記載の電力供給システム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記送電線に設けられた保護リレーが前記送電線の電流経路を切り替えたときに、前記インバータ電源の電流出力を再開させる、請求項１に記載の電力供給システム。
【請求項４】
前記送電線と前記電流供給装置との間に設けられた遮断器をさらに備え、
前記制御装置は、前記遮断器に前記電流供給装置と前記送電線との電気的な接続を遮断させた後、前記インバータ電源の電流出力を再開させる、請求項２または３に記載の電力供給システム。
【請求項５】
前記電流供給装置が、回転機であり、
前記回転機を駆動する電動機をさらに備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の電力供給システム。
【請求項６】
少なくとも１つ以上のインバータ電源から電力系統内の送電線へ電力を供給し、
前記インバータ電源の出力状態に基づいて前記インバータ電源から前記送電線への電流出力を制限するときに、前記送電線に対して前記インバータ電源と並列に接続された電流供給装置から前記送電線へ電流を出力する、電力供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電力供給システムおよび電力供給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電や風力発電に代表される再生可能エネルギー電源は、電力変換器（インバータ）により交流の電力系統に接続されることが多く、こうした電源はインバータ電源と呼ばれる。また、再生可能エネルギー電源の出力変動を抑制するために設置される蓄電池などもインバータ電源に含まれる。【０００３】
上記電力系統において短絡等の事故が発生すると、インバータ電源に設けられている半導体素子は、定格を超えた電流により短時間で破壊する可能性がある。そのため、インバータ電源を備える電力供給システムには、インバータ電源の過電流保護機能が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２５００８７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電力系統で事故が発生すると、電力系統側でも、保護システムが過電流などを検出して事故区間の送電線や配電線を解列することによって、事故に対処している。【０００６】
しかし、インバータ電源の過電流保護機能によって、系統事故時に事故点に流れる事故電流が制限されると、事故電流の大きさが電力系統の保護システムの事故検出レベルを下回るおそれがある。この問題に対処するために、系統保護システムの電流検出レベルを下げると負荷や変圧器の突入電流に起因する誤検出が生じる可能性がある。【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、系統事故発生時に、事故検出に必要な電流を系統側に供給可能な電力供給システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態に係る電力供給システムは、少なくとも１つ以上のインバータ電源と、制御装置と、電流供給装置と、を備える。インバータ電源は、電力系統に設けられた送電線に接続される。制御装置は、インバータ電源の出力状態に基づいて、インバータ電源から送電線への電流出力を制限する。電流供給装置は、送電線に対してインバータ電源と並列に接続され、制御装置がインバータ電源の電流出力を制限している時に送電線へ電流を出力する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、系統事故発生時に、事故検出に必要な電流を系統側に供給可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態に係る電力供給システムの構成を示すブロック図である。
【図２】比較例に係る電力供給システムの構成を示すブロック図である。
【図３】第２実施形態に係る電力供給システムの構成を示すブロック図である。
【図４】第３実施形態に係る電力供給システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。
【００１２】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る電力供給システムの構成を示すブロック図である。図１に示す電力供給システム１は、インバータ電源１０と、制御装置２０と、電流供給装置３０と、を備える。この電力供給システム１は、例えば、離島などに設置される小規模な電力系統、いわゆるオフグリッドシステムに接続される。図１に示す電力系統には、複数の送電線４０および送電線４１と、保護リレー５０とが設けられている。
【００１３】
送電線４０は、負荷設備６０に接続されている。送電線４１は、送電線４０から分岐している。保護リレー５０は、送電線４０における送電線４１との分岐点の下流側（負荷設備６０側）に設けられ、電流検出器５１と、切替器５２と、遮断器５３と、を有する。電流検出器５１は、送電線４０の電流を検出する。電流検出器５１の検出電流が基準値を上回ると、切替器５２は、遮断器５３を開放する。これにより、送電線４０は電力供給システム１から切り離され、送電線４１にのみ電力が供給される。
【００１４】
上述した電力系統に電力を供給する電力供給システム１において、インバータ電源１０は、直流電源１１と、電力変換器１２と、変圧器１３とを有する。直流電源１１は、太陽光発電や風力発電といった再生可能エネルギーで生成された直流電力や鉛蓄電池に蓄えられた直流電力を電力変換器１２へ出力する。電力変換器１２では、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子がスイッチング動作することによって、この直流電力を交流電力に変換する。変圧器１３は、この交流電力の電圧を変圧して送電線４０または送電線４１へ出力する。
【００１５】
なお、本実施形態では、電力供給システム１は、１台のインバータ電源１０を備えるが、インバータ電源１０の数は１台に制限されない。電流源または電圧源として機能する複数のインバータ電源１０が、互いに並列に接続されていてもよい。
【００１６】
制御装置２０は、インバータ電源１０の出力状態に基づいて、電力変換器１２に設けられた半導体素子のスイッチング動作を制御する。電流供給装置３０は、送電線４０に対してインバータ電源１０と並列に接続されている。電流供給装置３０は、同期機あるいは誘導機などの回転機で構成されている。
【００１７】
以下、本実施形態に係る電力供給システム１の動作について説明する。
【００１８】
平常運転時には、インバータ電源１０が送電線４０を介して負荷設備６０へ電力を供給する。このとき、制御装置２０が電力変換器１２の半導体素子のスイッチング動作を制御することによって、直流電源１１の直流電力が交流電力に変換され、インバータ電源１０は、電力系統の電圧および周波数を確立する電圧源として機能する。また、電流供給装置３０は、インバータ電源１０で確立された電圧および周波数に同期して送電線４０との電流の授受を行う。
【００１９】
平常運転中に、地絡や短絡といった事故が送電線４０で発生した場合、インバータ電源１０の出力電流が急激に増加するので、過電流がインバータ電源１０の電力変換器１２に流れる。このとき、制御装置２０は、この過電流を検知して、電力変換器１２内の半導体素子のゲート信号を制御し、電力変換器１２の出力電圧を低下させる。これにより、インバータ電源１０から送電線４０への電流出力が制限される。また、事故による過電流が顕著な場合は、電力変換器１２のスイッチング動作を停止し、電流出力を停止させる。
【００２０】
インバータ電源１０の電流出力が制限或いは停止されると、電力系統の電圧および周波数は、電流供給装置３０により維持され、事故電流Ｃが、事故点Ｐに向かって流れる。電流供給装置３０は回転機であるため、電流は巻線等を流れる。すなわち、電流供給装置３０の電流経路には半導体素子が存在しないので、電流供給装置３０はインバータ電源１０よりも高い耐過電流特性を有する。よって、電流供給装置３０は、インバータ電源１０が停止するような大きさの事故電流Ｃを供給できる。この事故電流Ｃが保護リレー５０に検出されると、保護リレー５０の遮断器５３により送電線４０が解列される。その結果、電力系統から事故が除去される。
【００２１】
電力変換器１２に設けられた半導体素子のゲートにオフ信号を入力してから所定時間が経過すると、制御装置２０は、半導体素子を再びスイッチング動作させるので、インバータ電源１０の電流出力が再開される。インバータ電源１０は、電流供給装置３０の電圧および周波数に同期して復帰するので、電力系統内の健全な送電線４１への電力供給が継続される。なお、制御装置２０は、遮断器５３の開放を検知したとき、すなわち電極系統内の電流経路から送電線４０が外れたときにインバータ電源１０の電流出力を再開させてもよい。
【００２２】
図２は、比較例に係る電力供給システムの構成を示すブロック図である。上述した第１実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。図２に示す電力供給システム１００は、インバータ電源１０および制御装置２０を備える一方で、電流供給装置３０を備えていない。
【００２３】
電力供給システム１００から電力を供給される電力系統で短絡等の事故が発生すると、事故電流が、インバータ電源１０から事故点Ｐに向かって流れようとする。しかし、過電流保護機能により制御装置２０が事故発生直後に電力変換器１２内の半導体素子のスイッチング動作を制御し、出力電流を制限、或いは停止させる。これによりインバータ電源１０の電流出力が制限されるので、保護リレー５０が事故を検出するために十分な事故電流を供給できない。保護リレー５０が機能しないと、電流系統の事故が除去されない。そのため、インバータ電源１０が復帰できず、その結果、電力系統全体が停電するおそれがある。
【００２４】
なお、電力供給システム１００において、保護リレー５０の事故電流の検出レベルを下げることによって、電力系統の事故を除去することが考えられる。しかし、電力系統内には、多数の保護リレーが設置されている。そのため、各リレー間の保護協調を考慮しながら系統全体としての事故電流の検出レベルを下げる作業は、非常に煩雑となる。また、事故電流の検出レベルを下げることで、高調波など事故以外の事象による誤検出が増加することが懸念される。
【００２５】
一方、上述した本実施形態によれば、電力系統の事故が発生したときに、制御装置２０がインバータ電源１０の電流出力を制限しても、当該事故の検出に十分な事故電流Ｃが電流供給装置３０から保護リレー５０に流れる。よって、インバータ電源を保護しつつ電力系統の事故検出を確保することが可能となる。その結果、電力系統内の健全区間への電力供給が継続的に可能になるので、系統全体の停電を回避することができる。
【００２６】
なお、電力供給システム１には、インバータ電源１０の過電流保護機能だけでなく電流供給装置３０の過電流保護機能も設けられていてよい。この場合、電流供給装置３０の過電流検出レベルは、インバータ電源１０の過電流検出レベルよりも大きく、かつ保護リレー５０の事故電流検出レベルを確保できる範囲内に設定される。この場合、電流供給装置３０を過電流から保護することができる。
【００２７】
また、本実施形態によれば、電流供給装置３０が回転機であるので、回転機の慣性により平常運転時の周波数変動抑制効果も得ることができる。その結果、電力変動が大きな系統においても安定的に運転することが容易となる。
【００２８】
（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係る電力供給システムの構成を示すブロック図である。上述した第１実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２９】
図３に示すように、第２実施形態に係る電力供給システム２は、第１実施形態の構成に加えて、遮断器３１を備える。遮断器３１は、電流供給装置３０と送電線４０との間に設けられている。遮断器３１は、制御装置２０によって制御される。
【００３０】
以下、本実施形態に係る電力供給システム２の動作について説明する。
【００３１】
平常運転時には、第１実施形態と同様に、インバータ電源１０が送電線４０を介して負荷設備６０へ電力を供給する。このとき、遮断器３１は閉じているので、電流供給装置３０は、インバータ電源１０で確立された電圧および周波数に同期して電流を送電線４０へ出力する。
【００３２】
その後、電力系統の事故が発生した場合、第１実施形態と同様に、制御装置２０がインバータ電源１０からの電流出力を制限するので、事故電流Ｃが電流供給装置３０から供給される。
【００３３】
事故電流Ｃにより保護リレー５０の遮断器５３が開放すると、送電線４０は解列され、電力系統から事故が除去される。制御装置２０は、保護リレー５０の切り替わりを検知するか、または電力変換器１２にオフ信号を入力してから所定時間が経過したことを検知すると、遮断器３１に開放信号を送るとともに、電力変換器１２に復帰信号を送る。その結果、電流供給装置３０は電力系統の事故を除去した後に解列される一方で、インバータ電源１０が復帰するため、実質的に無瞬断で送電線４０への電力供給が継続される。
【００３４】
以上説明した本実施形態によれば、電力系統の事故が発生したときに、第１実施形態と同様に、制御装置２０がインバータ電源１０の電流出力を制限しても、当該事故の検出に十分な事故電流Ｃが電流供給装置３０から保護リレー５０に流れる。よって、インバータ電源１０を保護しつつ電力系統の事故検出を確保することが可能となる。
【００３５】
さらに、本実施形態では、電力系統の事故が除去された後、遮断器３１によって電流供給装置３０が電力系統から解列される。これにより、電流供給装置３０の出力電圧が一時的に無電圧となる。そのため、電流供給装置３０の出力電圧波形が事故除去後に乱れ続けてインバータ電源１０が同期して復帰することが困難な場合でも、インバータ電源１０がスムーズに復帰し運転を継続することができる。
【００３６】
例えば、電流供給装置３０が回転機である場合、事故の継続時間に応じて回転機の回転エネルギーが放出されてしまい回転数が下がり、それに伴って出力電圧の周波数も下がってしまうことが懸念される。このとき、電流供給装置３０の出力周波数がインバータ電源１０の出力周波数下限を下回ってしまうと、インバータ電源１０は復帰できず、電力系統が全停電してしまう。電力系統全体の停電を防ぐために、回転機の慣性を大きくして事故継続中も回転機の回転数が低下しにくくすることが考えられる。
【００３７】
しかし、このような方法は、機器の大型化とコスト増につながる。そこで、本実施形態のように事故後に遮断器３１で回転機である電流供給装置３０を一時的に解列することによって、回転機の慣性が小さいままでも電流供給装置３０の出力周波数の低下を懸念することなくインバータ電源１０の運転継続が可能となる。
【００３８】
（第３実施形態）
図４は、第３実施形態に係る電力供給システムの構成を示すブロック図である。上述した第１実施形態および第２実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３９】
図４に示すように、第２実施形態に係る電力供給システム３は、第１実施形態の構成に加えて、電動機３２と、電力変換器３３とを備える。電動機３２は、電流供給装置３０を駆動する。電力変換器３３は、制御装置２０の制御に基づいて、直流電源１１から供給される直流電力を交流電力に変換して電動機３２に供給する。
【００４０】
以下、本実施形態に係る電力供給システム３の動作について説明する。
【００４１】
平常運転時には、インバータ電源１０が送電線４０を介して負荷設備６０へ電力を供給する。このとき、電動機３２は、電力変換器３３で変換された交流電力で電流供給装置３０を駆動する。本実施形態では、電流供給装置３０が電力系統の電圧および周波数を確立する役割を担うため、制御装置２０は、インバータ電源１０を、一定の電圧を出力する電圧源モードおよび一定の電流を出力する電流源モードのどちらの動作モードでも制御可能である。
【００４２】
その後、電力系統の事故が発生した場合、制御装置２０がインバータ電源１０からの電流出力を制限する一方で、電動機３２は電流供給装置３０を駆動し続ける。そのため、事故電流Ｃが電流供給装置３０から保護リレー５０に供給される。保護リレー５０の遮断器５３が開放して事故点Ｐが電流経路から外れた後、制御装置２０は、インバータ電源１０の電流出力を復帰させる。これにより、健全な送電線４１への電力供給が継続される。
【００４３】
以上説明した本実施形態によれば、電力系統の事故が発生したときに、第１実施形態と同様に、制御装置２０がインバータ電源１０の電流出力を制限しても、当該事故の検出に十分な事故電流Ｃが電流供給装置３０から保護リレー５０に流れる。よって、インバータ電源１０を保護しつつ電力系統の事故検出を確保することが可能となる。
【００４４】
また、本実施形態では、平常運転時に電流供給装置３０が電力系統の電圧および周波数を確立する役割を担う。そのため、インバータ電源１０は、電圧源として動作する必要性は無い。よって、インバータ電源１０が、電流源としての機能しか有さないインバータ電源であっても本実施形態に適用可能である。
【００４５】
さらに、事故中も電動機３２が電流供給装置３０を駆動するため、電力系統の周波数低下等に起因する電圧波形の乱れが発生しにくいので、事故除去後のインバータ電源１０の復帰が容易である。
【００４６】
なお、上述した各実施形態では、単一の電力供給システムから負荷設備６０に電力を供給する構成に基づいて説明したが、複数の電力供給システムから複数の負荷設備６０に電力を供給する構成に適用することも可能である。この場合、各実施形態の電力供給システムを組み合わせてもよい。
【００４７】
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な装置、方法、プログラム、及びシステムは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した装置、方法、プログラム、及びシステムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2020121466.tif 000007
2020121466.tif 000008