電気二重層キャパシタ蓄電式エレベータのロードレベリング方式
学生員

太田圭祐

正員

辻俊明

正員

阿部茂（埼玉大学）

Load Leveling Method of Elevators with Electric Double Layer Capacitor
Based Energy Storage SystemKeisuke Ota, Student Member, Toshiaki Tsuji, Member, Shigeru Abe, Member
We have been studying an energy storage system for an elevator with electric double layer capacitor (EDLC). The energy
saving rate of this system is more than 40%. However it takes over 15 years to pay-back the additional cost of EDLC. This paper
indicates that the energy storage system enables not only energy saving but also load leveling of the peak power. If the contract
power can be decreased by 1kW with the load levering, the pay-back period can be shorten about 6 years. In this paper three load
leveling circuits are studied. Simulation results show the possibility of the load leveling method. The comparison among thecircuits is also described.
キーワード：エレベータ, 電気二重層キャパシタ, 蓄電装置, 契約電力
Keywords：Elevator, Electric Double Layer Capacitor, Energy storage, Contract power

一般の標準形エレベータは回生電力を制動抵抗により熱消費している。Ni-MH 電池に蓄電する方式も実用化されて(1)いるが，省エネ率が 20〜31％程度 と低く設備費用回収に年月がかかり過ぎるため普及はしていない。著者らは，二EDLC受電電力制限回路

1. はじめにVdc

M次電池と比較して出力密度が高く，長寿命である(2)，電気二重層キャパシタ（Electric Double Layer Capacitor，以下 EDLC）を蓄電装置として用いるエレベータを提案し，省エネ率の拡大と蓄電装置の長寿命化・保守軽減を目的として研究を行ってきた(3)。その結果 EDLC 蓄電装置を使用すると 1 日の省エネ率は 40%以上となることが明らかとなった。また，

図1
Fig 1.

システム構成System configuration

蓄電装置を持つため停電時自動着床装置の役割も果たすこに示す。EDLC は直流部に直接接続し，充放電によってとができる。しかし，これだけではまだ EDLC 分の設備費

EDLC の端子間電圧 Vdc が変化する。200V の三相交流受電用回収に 15 年以上かかるため普及は難しいと考えられる。

で EDLC 電圧は Vdc=200V〜380V で運用する。停電時を考慮

本稿では受電電力を制限することで契約電力を削減し，し 200V 以上とし，380V を超えると制動抵抗を動作させる。

さらなる電気料金の削減を目指す。同時に EDLC の初期充EDLC の初期充電時には突入電流を抑えるために抵抗を電の問題についても解決することを目的とした。整流後の挿入し電流制限をする必要があった。本システムでは整流直流電流を制御することで受電電力を制限する回路方式を器の出力電流を制御することで EDLC の初期充電を行うた

3 種類提案し，シミュレーションで性能を比較した。

め，電流制限抵抗を入れる必要がなく充電時の損失もなくその結果，三相整流器＋昇降圧チョッパ回路方式が有望なる。Vdc が充電電圧目標値 Vch になると充電動作を止め，であることがわかった。この回路を付加すれば設備費用回Vdc が Vch より小さくなると再び充電動作を開始する。力行収期間を 1/2 以下に短縮できることが明らかになった。

運転時は受電電力制限回路により電源からの電力供給を制

2. 電気二重層キャパシタ蓄電式エレベータ〈2･1〉

システム構成受電電力制限回路付きの電気二重層キャパシタ蓄電式エレベータのシステム構成を図 1

限し，不足分の電力は EDLC から供給する。この時 Vdc は低下するが，モータ電力が受電電力の制限値より低い時および運転待機時に EDLC は充電される。また，回生運転時は回生エネルギーを EDLC に蓄電する。

表1
Table1.

典型的な住宅用エレベータの仕様

N

6

FD

3.5mv01.0m/s

a0.55m/s2n9MC600kg

MP600kg

MCW900kgη0.80

三相整流器＋降圧チョッパ回路方式

(a)
下降時

4000
2000

1.00v[m/s]Power Demand[W]ICIB

Typical residential building elevator specifications-2000-1.0IBIC

上昇時
-4000

(b)

Time[sec]

図2

空車運転時のモータ電力Fig 2.

Motor power demand (empty car)〈2･2〉 エレベータモデル

三相整流器＋昇降圧チョッパ回路方式
IC

典型的な標準形（住宅用）

エレベータ仕様を表 1 に示す。ここで，N：ビル階数−１，FD：階間距離，v0：定格速度，a：加速度，n：定員，MC：かご質量，MP：定員乗客質量，MCW：釣り合い重りの質量，(c)η：機械系の効率，である。
図 2 にこのエレベータの空車運転時のモータ電力を示す。

図3

住宅用エレベータは平均乗車人数が少なく空車に近い状態

Fig3.

三相位相制御回路方式
受電電力制限回路方式
Receiving power limiting circuits

での運転が多い。そのため上昇時に回生運転，下降時に力行運転を繰り返す図 2 のようなモータ電力となる。

れない。

3. ロードレベリング方式〈3･1〉

ロードレベリング方式

1.7kW 以下に制限することになり最低限必要な電力が得ら〈3･2〉

表 1 のエレベータで最も電力需要が大きいのは，1 階と 7 階の間で満車上昇・空契約電力削減による効果

表 1 のエレベータ

が 1 階と 7 階の間を 250 往復/日とすると仮定し，総合効率を 70%とすると年間の消費電力は約 1500kWh となる。

車下降の力行運転が連続した場合である。この時，ドア開エレベータで用いられる低圧電力契約の基本料金 1000 円

閉時間と乗客乗降時間で 14 秒停車すると考えると，運転と/kW，電力量料金を 12 円/kWh とする。電気代の節約は省エ

停車を含めた 1 サイクル（１階定員乗車−＞最上階定員降

ネ率 40%で 7200 円/年であるが，1kW の契約電力削減では車−＞１階へ戻る）の平均モータ電力は約 2.1kW となる。

12000 円/年にもなる。

そのため 1 サイクル毎のロードレベリングを考える場合，EDLC 追加の設備費用を約 12 万円とすると，設備費用回受電電力は最低でも 2.1kW 必要となる。電源から 2.1kW 供収期間は省エネだけでは約 17 年であるが，契約電力削減も給出来れば，不足分の電力を補って EDLC 端子間電圧 Vdc

合わせると約 6 年となり，回収期間を 1/2 以下にまで大幅にが減少しても，次のサイクルまでに必要なエネルギーを再短縮できる。

充電可能になるため問題にならない。受電電力を 2.1kW 以〈3･3〉

下に制限してしまうと次のサイクルまでに Vdc が回復出来電電力を制限する受電電力制限回路方式を示す。

受電電力制限回路方式

図 3 に電源からの受ず，運転不可能になる可能性がある。また，Vdc が下がりす(a)三相整流器+降圧チョッパ回路方式と(b)三相整流器+昇ぎるとインバータ駆動能力が低下する危険があるため Vdc の降圧チョッパ回路方式では，初期充電時はチョッパの出力最低電圧は 200V として，これ以上電圧が下がらないように電流 IC を，通常運転時はチョッパの入力電流 IB を制御する。

EDLC の容量を決定する。

これによって初期充電時は突入電流を抑えられ，通常運転

このエレベータの定格電力は 3.7kW である。本稿ではこ時には受電電力を制限できる。(c)三相位相制御回路方式でれを基準に考え，受電電力をこれより 1kW 小さい 2.7kW 以は常に整流出力電流 IB を制御する。通常運転時は，受電電下に制限する。2kW 小さくしようとすると，受電電力を力が Vdc に依存して変化するため，Vdc も入力して受電電力

Limitation circuit of receiving power
EDLC
ICIBACL

Vdc
M

AC200VPower demand

Triangle wave
15kHz

Gate drive circuit

Vch

Current
control

Current target value
IB or IC
図4

IB or IC

LPF

シミュレーションモデル((a)方式)
Fig4.

Simulation model (Method (a))

202010||200

100300Vdc[V]

0300
Vdc[V]

Vdc[V]

0300

10IC[A]

IC[A]200200100100300003000030000

200020002000

Pac[W]

Pac[W]

1001000

Pac[W]|IC[A]

2010000010200030Time[sec]10001020Time[sec]3040(a)三相整流器＋降圧チョッパ回路方式 (b)三相整流器＋昇降圧チョッパ回路方式

表2Table2.

図5

EDLC 初期充電時の各種波形

Fig5.

Waveforms in initial charging of EDLC

各方式の目標値

00102030

Time[sec](c)三相位相制御回路方式

方式および(b)三相整流器+昇降圧チョッパ回路方式では，平滑コンデンサとして 1000μF の電解コンデンサ，8mH のリ

Target value of each method

初期充電電流 IC

通常運転時電流 IB

充電電圧 Vch(a)方式

10.8A

9.8A

250Vリアクトルを使用した。EDLC は 200F を 170 セル直列接続(b)方式

9.0A

9.8A

300Vしたと考え静電容量 1.18F のものを用いた(3)。

(c)方式

10.8A−250V

アクトルを使用し，(c)三相位相制御回路方式では 15mH の〈4･2〉 初期充電

初期充電時のシミュレーション結果

を図 5 に示す。波形は上からローパスフィルタ(LPF)通過後を一定に制御する方が望ましいが，今回は行わなかった。

いずれの方式でも， IC は表 2 の制御目標値通りに制御で

4. シミュレーション結果〈4･1〉

シミュレーション条件の充電電流 IC，EDLC 端子間電圧 Vdc，受電電力 Pac である。
きており，受電電力は制限値 2.7kW 以下で初期充電出来てシミュレーションは回路シミュレータ PSIM を用いて行った。図 4 にシミュレーいる。また Vdc が充電電圧目標値 Vch に達すると充電が終了している。

ションモデル，表 2 に充電時の目標値を示す。各回路方式(b)方式は三相交流電圧 200V を全波整流した電圧であるにおいて高調波対策・力率改善のために 2mH の交流リアク270V より高い電圧まで充電できるため，他の方式に比べトルをそれぞれ設置した。(a)三相整流器+降圧チョッパ回路

EDLC に多くのエネルギーを蓄えておくことが可能である。

250300
Vdc[V]

Vdc[V]

300
250

250

200
4000

200
4000

3000

3000

3000

2000
1000

モータ電力PL
受電電力Pac0-10000246Time[sec]

82000
1000

モータ電力PL
受電電力Pac010(a)三相整流器＋降圧チョッパ回路方式-10000246Time[sec]

2000
1000

Fig6.

モータ電力PL
受電電力Pac

08-1000010(b)三相整流器＋昇降圧チョッパ回路方式
図6246Time[sec]810(c)三相位相制御回路方式

力行運転時の各種波形Waveforms in motor power running

表3

各方式の電源力率・交流電流総合ひずみ率

Table3.

Power factor and the total harmonic distortion
電源力率

Power[W]200
4000Power[W]Power[W]

Vdc[V]

300

表4
Table4.

%総合ひずみ率

各方式の長所と短所

Advantage and drawback of each method
長所

短所

−

充電電圧 Vch が一番低い

(a)方式

91.7％

34.0％

(a)方式

(b)方式

91.6％

33.7％

(b)方式

充電電圧 Vch を高くできる−

(c)方式

85.0％

24.3％

(c)方式

回路構成が簡単

電源力率が悪い(c)方式では IC に低い周波数の電流リップルが乗る。リアク

低圧電力契約では力率 85%を基準とし，90%以上で基本料トルの値を大きくすることで電流リップルを減らすことは金が 5%割引になり，80%以下で 5%割増になる。(a)方式お可能だが，装置の大きさやコストを考慮する必要がある。

よび(b)方式では電力負荷が印加された時の平均力率は 90%〈4･3〉以上であり良好な特性が得られているが，(c)方式では 85%

力行運転時2 階床間（7m）の空車下降時のモータ電力負荷を印加した場合のシミュレーション結果を
図 6 に示す。グラフは上から，EDLC 電圧 Vdc，モータ電力となっており他方式と比較して特性が良くない。
交流電流の%総合ひずみ率は(c)方式が低い。(a)方式および(b)方式は高くなっているが，一般的な三相整流器に同様PL，受電電力 Pac を表す。
モータ電力はピーク時 4.5kW に達するが，受電電力は常に 2.7kW 以下に制限出来ていることが確認できる。またモータ電力が 2.7kW 以下のときは交流電源から必要なモータの負荷を接続した時の値とほぼ同じである。

5. まとめ電力が供給されるため Vdc は変化しないが，2.7kW 以上にな

受電電力を制限し不足分の電力を EDLC から供給するロ

ると不足分の電力が EDLC から供給され Vdc が低下していードレベリング方式を検討した。提案方式は契約電力の削る。再びモータ電力が 2.7kW 以下になると EDLC が充電電減だけでなく EDLC の初期充電時の電流制御にも利用でき

圧 Vch 以下である間は充電が継続し Vdc が上昇していく。

る。今回の検討では，総合的にみて (b)三相整流器+昇降圧〈4･4〉

チョッパ回路方式が優れている結果となった。

EDLC の容量空車での 2 階間走行では初期充電電圧 Vch の低い(a)，(c)方式でも Vdc は 225V 程度までしEDLC 蓄電式エレベータでは，ロードレベリング機能も追か低下しないが，最大負荷の力行運転時には Vdc は最低電圧加し契約電力を削減すれば，設備費用回収期間を大幅に短200V より低い 180V 程度まで低下するため，Vdc を 200V 以

縮できる。今後は実験による検証を行いたい。

上に保つには EDLC の静電容量を増やす必要がありコストアップとなる。(b)方式では Vch を高く設定できるため，上記の場合でも Vdc は 200V 以下にならず容量を増やす必要はない。しかし Vch を高くすると省エネ率が下がるので，省エネ率と EDLC 容量とのトレードオフを考えねばならない。
〈4･5〉

電源力率・交流電流の%総合ひずみ率

各回路方式における電源力率と交流電流の%総合ひずみ率を表3 に示す。表の値は力行運転時の平均値である。交流電流の総合ひずみ率は第 20 次高調波まで計算した。

文献(１) 楠間,小林,冨永,菅,荒木,池島,田島 : “回生電力蓄電システムによる省エネエレベーターの開発”, 電気学会全国大会, 4-191, (2001)(２) 岡村廸夫 : “電気二重層キャパシタと蓄電システム第 3 版”, 日刊工業新聞社, (2005)(３) 八代,太田,金子,阿部 : “電気二重層蓄電式エレベータの一日の詳細電力シミュレーション”,日本機械学会, No.08-75, 技術講演会, (2009)