Technical Report
報文

新しいピークカットインバータシステムの開発
Development of New Inverter System for Peak Cut Use山下貴士*

時井敦志*

石本孔律 **

田中三郎*

Takashi Yamashita
Yoshinori Ishimoto

Atsushi Tokii
Saburou Tanaka

Abstract
A new inverter system has been developed for peak cut use. The system consists of two units, bi-directional
inverter and valve-regulated lead-acid (VRLA) battery for cycle use. The VRLA battery is usually charged bymulti-stage charge method with the pre-determined setting voltage according to the temperature of battery inorder to improve its cycle life. It is also ready to set to charge the battery periodically and compulsory. The developed 20 kW-1 h system is able to start up in a high speed of less than 1 second from both the stop/standby
and drastic load fluctuation state when the power exceeds the pre-set demand level. This function realizes anefficient operation for the inverter allowing the reduction in system capacity.

1まえがき
近年，地球環境への関心が高まるとともに，法規制

2主回路構成およびシステム動作

2.1主回路構成の緩和にあいまって，エネルギー事業において「分散ピークカットインバータシステムの構成図を Fig. 1形電源」の導入が急速に増加している．その実現方法に示す．双方向インバータは，昼間の電力消費ピーク

としては，ガスタービン，太陽光発電，風力発電，燃時には蓄電池の直流電力を交流電力に変換して負荷に料電池および蓄電池などを組み合わせたハイブリッド供給するように動作して，系統電源から摂取する電力構成とする手法が考えられる．
当社では，従来から培っ量を抑制する．夜間には系統電源の交流電力を直流電1)2)てきた鉛蓄電池 およびインバータの技術 を応用し力に変換する充電器として動作して，夜間電力を利用て，電力需要時のピークカット動作をおこなう高速負して蓄電池の充電をおこなう．このシステムは，２個荷追従形インバータシステムを開発したので，その概の機械式開閉器（MC1，MC11）が直列に接続されて要を報告する．

いる．MC1 は，「系統連系技術要件ガイドライン」に準拠した機能を具備した連系保護装置が系統事故を検出したときに開放される．また，MC11 は，連系保護* 株式会社 ジーエス・ユアサ パワーサプライ 開発部

装置で検出できない単独運転事故をインバータ制御回** 株式会社 ジーエス・ユアサ パワーサプライ SE 部路の一部で検出して開放される．これらによって，あ© 2004 GS Yuasa Corporation, All rights reserved.

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ＥＬＣＢ１

2004 年 12 月

ＭＣ１ＭＣ１１ＬＴＲ

Bi-directionalinverter

Ｌ

第 1巻

第1号

ＭＣＣＢ２3 Ph 3W 200 VＣStorage battery

Islanding pas-sive detection

ＵＦＲ

System interconnection
protective device

Islanding active detection

ＯＦＲ

Inverter control
circuit

ＵＶＲ
ＯＶＲOver voltage
ground relay

Fig. 1ＯＶＧＲ

Conﬁguration of a new inverter system for peak cut use.

らゆる系統電源の事故からシステムを安全に切り離す作を制御する方法もあるが，その電力は一定なので，ことができるようにした．

同様に必要以上の電力を供給することになる．つまり，

2.2

定電力放電方式では蓄電池の放電容量および深度は必システム動作

ピークカットインバータは，電力ピークの時間帯に要以上に大きくなり，その寿命にも影響をおよぼして蓄電池を放電させるように動作する．その方式としていた．一方，今回，採用した負荷追従放電方式の放電は，一定の電力量を放電する「定電力放電方式」が一パターンを Fig. 3 に示す．この方式は，ピークカット般的である．今回は，系統の使用電力に追従してインの時間設定に関係なく，使用電力に応じてインバータバータの出力値を決定する「負荷追従放電方式」を開が自動的に運転・停止をおこなうものである．すなわ

発した．

ち，使用電力が設定値を上回ると，それを超えた分の2.3電力を供給するようにインバータの出力を制御し，設負荷追従放電のメリット

定電力放電方式における放電パターンを Fig. 2 に示

定値を下回るとインバータは停止して待機状態とする

す．この方式のインバータは，定電力を定時間供給すものである．したがって，蓄電池の放電量は大幅に低るものであり，インバータ容量×ピークカット時間分減できることになり，放電深度が浅くなるので，寿命の電力量が必要となる．この電力量には，本来は系統も延びることになる．

電源から供給できる分も含まれるので蓄電池の放電容量を大きくする必要があった．また，受電点に設置されたデマンドメータの警報信号によりインバータの動Discharge capacityof inverter

Discharge capacityof inverter

Setting value
Consumption power

Consumption power

Setting value
Excessivedischarge capacity

System consumption
power

024

System consumption
power

0Time

24TimeFig. 2 Discharge pattern of constant power discharge method.

Fig. 3 Discharge pattern of load tracking discharge
method.

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32004 年 12 月

制御回路

第 1巻第1号が選択できる．前者は，装置本体のモニタパネルにより変更できるようにしている．後者は，外部より入力

3.1

インバータ制御回路

されるアナログ信号を設定値とし，ノイズの影響を抑インバータ制御では，ワンチップ RISC（Reducedえるために 4 〜 20 mA の信号としている．この制御

Instruction Set Computer）マイコンを採用した．実では，鉛蓄電池を利用したピークカットインバータの行プログラムを変えることによって，放電および充利点である高速追従をおこなっている．その場合，ハ電の制御を１つのマイコンでおこなえるようにしていンチングを抑えるために，停止状態から定格出力までる．の所要時間は 1 秒以内としている．

3.2

放電制御

3.3

蓄電池の充電制御

インバータの放電制御ブロック図を Fig. 4 に示す．

このシステムは，蓄電池の充電制御の他に，交流基準正弦波の同期制御は，交流電圧を検出してそれに入力の高力率制御およびその電流の正弦波制御をおこ同期した基本位相信号を発生させておこなっている．

なっている．ここでは蓄電池の充電制御について述べ

さらにインバータの出力力率を 1 にするために，出力る．

電流を検出して基本位相信号の位相を補正している．

3.3.1

通常充電

振幅制御は定電力制御と負荷追従制御とを切換えて通常充電は，昼間に蓄電池が放電した容量分の充電おこなっている．前者では，インバータの出力電力ををウイークデーの夜間におこなう制御である．その時検出して，その値が一定になるように振幅を制御して間を短縮するために，電気自動車用鉛蓄電池に適用しいる．
後者では，受電点に設置した電力トランスデューている方式と同様の多段充電制御を用いている．各段

サで電力値をアナログ信号として検出し，その値とデの電圧は，蓄電池の温度に応じて最適値に切換えられマンド設定値とを比較して振幅値を決定している．

る．その充電全電気量は，蓄電池の温度と放電深度と負荷追従制御では内部および外部のデマンド設定値

System power
supplyCT

AC current
detectionによって決定される．

Filter current
detection

TRL

Bi-directional
inverter

AC voltage
detection

PTC

Load

Storagebattery
Gate driveElectric powertranceducer

AC current
detection

AC voltage
detection

PWM
modulation

Power factor
correction

Filter current
detection

Synchronizing
control

Triangularwave
generation
ΦInverter output
power detection

System electric
power detection
Inner demand

Constant
power control

Load tracking
control￨V￨

Amplitudecontrol

Reference sinewave generation

Setting demandvalue

External demandFig. 4

Discharge control block diagram of a new inverter system for peak cut use.

68

Current error
amplification

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3.3.2

2004 年 12 月

4

定期補充電

第 1巻第1号

仕様定期補充電は，通常充電時の電気量の不足を補うために定期的におこなう制御である．その方式として，開発したピークカットインバータシステムは，用定電流から定電圧に移行する制御が用いられ，定電圧途に応じて展開することができる．ここでは，そのの設定値は蓄電池の温度に応じて最適値に切換えられ１機種として開発した 20kW-1 時間システムの仕様をる．

Table １に示す．

3.3.3

途中充電

途中充電は，強制的に外部から信号を入力しておこ

Table 1 Speciﬁcation of 20 kW-1h inverter systemfor peak cut use.

なう制御である．昼間に蓄電池の放電容量が規定値に達した場合，放電が停止される．放電を継続させたい
場合に外部から強制的に信号を入力して，インバータ

Items

Units

Speciﬁcationsに充電器の動作をさせることにより蓄電池を定電圧でEnviron- Temperature
ment
Relative humidity℃− 10 〜 40%

30 〜 90

充電して，放電可能にする．
3.3.4

シーケンス制御

Typeインバータの運転シーケンスは，本体の運転モード選択入力端子の設定状態とスケジュール運転用のタイACマ（以下，スケジュールタイマ）により決定される．
運転モード選択入力端子には，定電力および負荷追従放電，放電容量，内部および外部デマンドの設定があDCる．この中から運転モードを選択して入力することにCooling

Forced-air cooling

Insulator

Commercial transformer
insulator

Phase

φ3

Rated voltage V200

Rated frequency

50 / 60Hz

Storage battery
cell144

ルタイマには放電用と充電用とがある．前者は，定電Dischargetime

Hour

1

力および負荷追従用放電の運転スケジュールを個別にRated voltage V288設定でき，設定した時間になるとインバータは入力しCharge current

81

た状態に応じて運転を開始する．後者は，通常充電とVoltage varia- Vtion range

230 〜 403Frequency%variation range±5Voltage varia- Vtion range

180 〜 220

定期補充電とを個別に設定でき，設定した時間になる

Chargeとインバータは充電モードで運転を開始し，蓄電池を充電する．スケジュールタイマの設定例を Fig. 5 に示
す．タイマを適切に設定することによって，インバータの完全自動運転が可能となる．

Schedule timer 1-1
for discharge
Rated power discharge Time 0
Mon. - Fri. 13:00 - 15:00
Schedule timer 1-2
for discharge
Load follow-up discharge
Mon. - Fri. 9:00 - 17:00 Time 0

Schedule timer 2-1
for charge
Normal charge
Time 0Mon. - Fri. 22:00 - 6:00
(next day)
Schedule timer 2-2
for charge
Periodical auxiliary chargeSat. 21:00 - Mon. 6:00

Time 0Discharge

A

Discharged at
20 kW
Charged at fullpower

Max. input
capacity

kVA35
approx.

Charged at full
power

Input power
factorMin. % 97

Charged at full
power

Higher harmon- Max.
ic current ratio %10Charged at fullpower

AC-DC efﬁciency

90

Charged at fullpower%

Rated capac- k Ｗity20

3691215182124

Synchroniz- %ing frequency
range±53691215182124

Rated current A57.7
324

Voltage wave- %form distortion
factorAt rated outputpower (individual)

Max.
%

5

At rated output
power (Overall)

DC-AC efﬁciency%

90

At rated output
power

Load power
factorMin. % 95

At rated output
power

336699121215151818212124: shows the setting time by the schedule timer

Fig. 53W

270 Ah class
VRLA

Number

よって，インバータのモードが決定される．
スケジュー

NoteSetting example of schedule timer.

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2004 年 12 月

第 1巻第1号

を Fig. 7 に示す．インバータの出力は，停止状態から５500 ms 以内で 20 kW に達し，系統使用電力は設定値

特性の 120 kW に制御されていることがわかる．

開発した 20 kW-1 時間システムの評価試験を実施

内部デマンド値を 120 kW に設定して，負荷電力をした．ここでは，代表的な特性を報告する．

140 kW から 117 kW に減少させた時の負荷追従特性

5.1を Fig. 8 に示す．インバータは，20 kW の出力状態

交流出力電流特性

20 kW 出力時の交流電圧および出力電流の波形をから 500 ms 以内で停止していることがわかる．

Fig. 6 に示す．測定した力率は 99% と高く，歪率は外部デマンド設定値を変化させた時の負荷追従特性1.3％と小さい良好な結果が得られた．
5.2

を Fig. 9 に示す．外部デマンド値の変化に応じて，系負荷追従放電特性

内部デマンド値を 120 kW に設定して，負荷電力を117 kW から 140 kW に増加させた時の負荷追従特性

System current(500 A / div)

Inverter output current(100 A / div)

← 120 kW← 117 kWSystem consumption power(120 kW → 117 kW )(9.375 kW / div)
480 ms

Outputcurrent
50 A/div

Inverter output power(20 kW → 0 kW)(3kW / div)

Inverter output current(100 A / div)

Outputvoltage
100 V/div
2 ms / div

Fig. 6 Waveform of VAC and output current for 20
kW-1 h inverter system for peak cut use at 20 kW
output.

Fig. 8 Load tracking feature of 20 kW-1 h inverter
system for peak cut use.
Internal demand set value : 120 kW.
Load power: 140 kW to 117 kW.

System current(500 A / div)
Inverter output current(100 A / div)

← 120 kW← 117 kW
System consumption power(117 kW → 120 kW )(9.375 kW / div)
496 msExternal demand set value

System power 11.95 kW / div

11.95 kW / div

Inverter output power(0 kW → 20 kW)(3kW / div)
Inverter output power 3 kW / div

Fig. 7 Load tracking feature of 20 kW-1 h inverter
system for peak cut use.
Internal demand set value : 120 kW.
Load power: 117 kW to 140 kW.

70Fig. 9 Load tracking feature of 20 kW-1 h inverter
system for peak cut use when the external demand
set value was varied continuously.

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2004 年 12 月

第 1巻第1号

統使用電力が追従していることがわかる．

リチウム電池と組み合わせたシステムなどへの展開を6

すすめ，本分野の発展に貢献したい．

まとめ
電力需要時のピークカット動作をおこなうことので文献きる新しい高速負荷追従形インバータシステムを開発した．その技術を用いた 20 kW-1 時間システムの力

1) 高橋さわ子，平川憲治，守 光仁，山口義彰，中山恭秀，

率は 99% と高く，歪率は 1.3％と小さい良好な結果がユアサ時報，88，34 (2000).

得られた．また，このシステムは負荷変動に対して高2) 山中雅雄，高田知明，京博之，平地克也，山本 茂，速に追従することを確認できた．今後は，大容量化やユアサ時報，83，18 (1997).

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