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発明の名称 配電システム
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−95156(P2001−95156A)
公開日 平成13年4月6日(2001.4.6)
出願番号 特願平11−264312
出願日 平成11年9月17日(1999.9.17)
代理人 【識別番号】100105223
【弁理士】
【氏名又は名称】岡崎 謙秀 (外1名)
【テーマコード(参考)】
5G066
【Fターム(参考)】
5G066 CA04 CA09 
発明者 山本 文雄
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 配電用変電所から配電線を通して需要者へ電力供給する配電システムにおいて、第一インバータ・コンバータと、第二インバータ・コンバータと、第一インバータ・コンバータおよび第二インバータ・コンバータの間に備えられた直流側回路とを有する交流−直流−交流変換器が各配電線に配設されており、この交流−直流−交流変換器の直流側回路に直流電源が接続可能となっていることを特徴とする配電システム。
【請求項2】 直流電源が分散型電源および/または電力貯蔵手段である請求項1の配電システム。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】この出願の発明は、配電システムに関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、分散型電源や電力貯蔵手段などの直流電源を容易に、かつ、安価に導入することができ、近年の電力給配形態に高い自由度で対応することのできる、新しい配電システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術とその課題】火力、水力、原子力、その他各種の発電所で発生した電力は、いったん変圧器で昇圧された後、送電線路によって一次変電所、二次変電所、配電用変電所に送られ、各変電所から配電線路を通って様々な需要者(需要設備や需要家)に必要な電圧に降圧されて供給される。このような一連の流れは電力系統と呼ばれ、発電から最終の電力使用に至るまでの一貫した電力システムとなっている。この電力システムにおいて、一般に、発電所から配電用変電所まで(一次・二次変電所からの一次・二次需要者までを含む)は送電システム(送電系統とも呼ぶ)、配電用変電所から最終需要者までは配電システム(配電系統とも呼ぶ)として区別されており、配電システムが一般需要者に最も関係の近い部分である。
【0003】この配電システムでは、たとえば図4および図5に例示したように、配電用変電所(1)からの電力は配電線(3)を通って各需要者に供給されるようになっている。図4および図5の例では、配電用変電所(1)には変圧器(2)および変圧器(2)からの配電線(3)に設けられた遮断器(ア)が備えられており、配電線(3)の各分岐点間(配電線区間と呼ぶこととする)には必要箇所に開閉器(4)および連絡用開閉器(イ)が配設されている。
【0004】この場合、通常運転時は、たとえば図4に例示したように、連絡用開閉器(イ)は開路状態(切)であり、一つの配電線(2)毎に運転する放射状配電方式(樹脂状配電方式とも呼ぶ)となっている。この通常運転状態から、たとえば図5に例示したように■事故点にて配電線(3)に事故が発生すると、次のような運転が行われる。
【0005】<A>まず、■事故点の配電線(3)が接続されている配電用変電所(1)の■遮断器(ア)を閉路状態[入]から開路状態[切]に切り換える。
<B>このとき、事故が発生していない健全な■配電線区間は、一旦、その配電用変電所(1)からの電力供給が止まるので停電する。
【0006】<C>次いで、■事故点の配電線(3)と健全な■配電線区間との間の■開閉器(4)を閉路状態[入]から開路状態[切]に切り換える。
<D>さらに、健全な■配電線区間とそれに隣接する他の配電線区間との間の■連絡用開閉器(イ)を開路状態[切]から閉路状態[入]に切り換える。
【0007】これにより、健全な■配電線区間を事故配電線区間から救済することができる。しかしながら、このような従来の配電システムでは、近年の電力給配形態の変化に対して柔軟に対応することが困難となっている。
【0008】すなわち、従来は配電用変電所(1)からの交流電力を一方的に需要者に分配するのみであったが、近年、重要者等が分散型電源や電力貯蔵手段などの直流電源を配電線(3)に連系して、その直流電源からの直流電力をも用いることがしばしば行われるようになってきており、このような近年の電力給配形態を考慮していない従来の配電システムでは、直流電源を連系する場合に様々な問題点が発生してしまう。たとえば、太陽電池等の分散型電源やバッテリ等の電力貯蔵手段を配電線(3)に連系しようとすると、交流電力を流している配電線(3)に対して個別にインバータを設置する必要があり、コストが高く、また、交流の配電線(3)に多数の直流電源が連系されると、配電線(3)の電圧管理や配電線区間の負荷・電力管理が複雑になってしまう。
【0009】そこで、この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、分散型電源や電力貯蔵手段などの直流電源を容易に、かつ、安価に導入することのできる、新しい配電システムを提供することを課題としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、配電用変電所から配電線を通して需要者へ電力供給する配電システムにおいて、第一インバータ・コンバータと、第二インバータ・コンバータと、第一インバータ・コンバータおよび第二インバータ・コンバータの間に備えられた直流側回路とを有する交流−直流−交流変換器が各配電線に配設されており、この交流−直流−交流変換器の直流側回路に直流電源が接続可能となっていることを特徴とする配電システム(請求項1)を提供し、この配電システムにおいて、直流電源が分散型電源および/または電力貯蔵手段である(請求項2)をその態様として提供する。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【0012】
【実施例】図1および図2は、この発明の一実施例である配電システムの要部構成を概念的に例示したものであり、図3は、この配電システムにおいて用いられる交流−直流−交流変換器の要部構成を概念的に例示したものである。
【0013】たとえばこれら図1〜図3に例示したように、この発明の配電システムは、配電用変電所(1)から配電線(3)を通して需要者(図示していない)へ電力供給する配電システムであって、第一インバータ・コンバータ(51)と、第二インバータ・コンバータ(52)と、第一インバータ・コンバータ(51)および第二インバータ・コンバータ(52)の間に備えられた直流側回路(53)とを有する交流−直流−交流変換器(5)が各配電線(3)に配設されており、この交流−直流−交流変換器(5)の直流側回路(53)に直流電源(6)が接続可能となっている。
【0014】この場合さらに説明すると、図1および図2に示した例では、配電用変電所(1)の変圧器(2)から延びている配電線(3)およびこの配電線(3)から分岐している各配電線(3)に交流−直流−交流変換器(5)が配設されている。図4および図5に例示した従来の配電システムと比べると、遮断器(ア)および連絡用開閉器(イ)それぞれに代わって交流−直流−交流変換器(5)が備えられており、これら各交流−直流−交流変換器(5)に直流電源(6)が接続可能となっている。より具体的には、たとえば図3に例示したように、各交流−直流−交流変換器(5)においては、その一端の配電線(3)からの電力は第一インバータ・コンバータ(51)または第二インバータ・コンバータ(52)により直流に変換された後、直流側回路(53)を通り、反対側の第二インバータ・コンバータ(52)または第一インバータ・コンバータ(51)から再び交流として他端の配電線(3)に出力される。直流電源(6)は、たとえば図3の例では、自ら直流電力を出力する分散型電源や電力貯蔵装置等の直流出力手段(61)と直流出力手段(61)の出力側に設けられたDC/DC変換器(62)とを有しており、DC/DC変換器(62)の出力側が直流側回路(53)の入力側と接続して、直流電力が流れる直流側回路(53)に連系されるようになっている。
【0015】このようなこの発明の配電システムにおいて、通常運転時は、たとえば図1に例示したように、交流−直流−交流変換器(5)および開閉器(4)は全て閉路状態[入]となって、可能な限り隣接する複数の配電線(3)と常時閉路して連係するネットワーク状配電方式、つまり全ての配電線(3)に常時電力が通るようになっている。この通常運転時から、たとえば図2に例示したように■事故点にて配電線(3)に地絡・短絡等の事故が発生すると、次のような運転が行われる。
【0016】<A>まず、■事故点の配電線(3)が接続されている■開閉器(4)を閉路状態[入]から開路状態[切]に切り換える。
<B>次いで、■事故点の配電線(3)が接続されている■交流−直流−交流変換器(5)を閉路状態[入]から開路状態[切]に切り換える。
【0017】<C>このとき、事故が発生していない健全な■配電線区間は、常に、他の交流−直流−交流変換器(5)が閉路状態[入]であって別の配電用変電所(1)からの電力が供給されているので、停電することがない。
【0018】したがって、前述した従来の配電システムとは異なり、交流−直流−交流変換器(5)を用いたネットワーク状配電方式となっているので、上述した運転により、ある配電線(3)に事故が発生したとしても、隣接する他の配電線(3)は電力供給を続けることができ、無停電配電を実現できる。
【0019】なお、交流−直流−交流変換器(5)の「閉路状態」とは、第一インバータ・コンバータ(51)および第二インバータ・コンバータ(52)の両方が運転状態で、入力側の配電線(3)と出力側の配電線(3)との間で、有効電力および無効電力の潮流制御を行っている状態をいい、「開路状態」とは、第一インバータ・コンバータ(51)および第二インバータ・コンバータ(52)の一方または両方が停止状態で、交流−直流−交流変換器(5)の両端の配電線(3)間で、有効電力および無効電力の潮流制御を行っていない状態をいう。
【0020】また、この交流−直流−交流変換器(5)、特に第一インバータ・コンバータ(51)および第二インバータ・コンバータ(52)は、配電用変電所(1)からの交流電力や直流電源(6)が連系された場合の直流電源(6)からの直流電力の効果的な配電などを実現すべく、たとえば以下のような機能や制御・運転が可能なものとなっていることが好ましい。
【0021】a.スイッチングは、たとえばPWM方式で行うことができる(スイッチング周波数はたとえば数十kHz以上などとする)。
b.交流側(つまり入力側および/または出力側の配電線(3)以下同じ)電圧と周波数を外部からの指令値で運転する電圧源モード(自立運転モードとも呼ぶ)の運転機能を有する。
【0022】c.交流側電圧と周波数を参照して運転する電流源モード(連系運転モードとも呼ぶ)の運転機能を有する。
d.隣り合う交流−直流−交流変換器(5)と協調運転できるようにするため、電圧と周波数に同期発電機のような垂下特性を持たせた運転機能を有する。
【0023】e.上述の各運転機能は、外部からの指令で切換え可能であるものとする。
f.交流−直流−交流変換器(5)を通過する有効電力及び無効電力を制御できるようにするため、連系リアクトルより内部の電圧値と、連系リアクトル間の電圧位相差とを外部からの指令で制御可能となっている。
【0024】g.交流側の短絡事故時に電流を規定値以内に制御可能となっている。
h.交流側で短絡、地絡などの事故が発生した場合には、事故を検出し、事故が発生した配電線(3)に連係している第一インバータ・コンバータ(51)および/または第二インバータ・コンバータ(52)の運転が停止されるようになっている。これにより、上述したように交流−直流−交流変換器(5)が開路状態となり、隣接する健全な他の配電線(3)を保護できる。
【0025】i.直流側(つまり、第一インバータ・コンバータ(51)と第二インバータ・コンバータ(52)との間、および直流側回路(53)と直流電源(6)との間。以下同じ)で短絡、地絡などの事故が発生した場合には、事故を検出し、交流−直流−交流変換器(5)の運転が停止されるようになっている。これにより、交流−直流−交流変換器(5)に連係している配電線(3)や直流電源(6)を保護することができる。
【0026】j.交流側の電圧波形に基準値以上の高調波歪が発生した場合には、その高調波歪を打ち消すような制御が可能となっている。これによりアクティブフィルタ機能が実現される。
【0027】k.交流−直流−交流変換器(5)の両端の配電線(3)間の接地系は分離可能となっている。さらにまた、直流側回路(53)については以下のような機能や制御・運転が可能なものとなっていることが好ましい。
<A>直流電源(6)がコンデンサの場合a.交流側に基準値以内の三相不平衡電力を供給可能となっている。
【0028】b.交流側に基準値以内の無効電力を供給可能となっている。
<B>直流電源(6)が蓄電池の場合a.交流側に対し基準値以内の有効電力量を充放電可能となっている。
【0029】b.交流側に基準値以内の三相不平衡電力を供給可能となっている。
c.交流側に基準値以内の無効電力を供給可能となっている。
なお、上述の機能や制御・運転並びに各基準値は、配電電力量や配電設備仕様などの様々な要因によって任意に調整され得るものであることは言うまでもない。
【0030】もちろん、この発明は以上の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能である。たとえば、図3に示した実施例では交流の配電線(3)が三相3線式のものとなっているが、たとえば三相4線式、単相2線式、単相3線式などの配電方式にも適用できることは言うまでもない。また、図1および図2に示した実施例では、変圧器(ア)および連絡用開閉器(イ)の代わりに交流−直流−交流変換器(5)が配設されているが、開閉器(4)も交流−直流−交流変換器(5)に取り換えられていもよく、この場合でも上述と同様に、全ての交流−直流−交流変換器(5)を介して、可能な限り隣接する複数の配電線(3)と常時閉路して連係するネットワーク状配電方式を形成し、直流電源(6)を任意に連系可能となっており、かつ、たとえば上述した各種制御・運転が可能となっていることが好ましい。
【0031】
【発明の効果】以上詳しく説明したこの発明の配電システムは、上述したように各配電線(3)に配設された交流−直流−交流変換器(5)によって、以下のような著しい効果を有している。
【0032】<A>交流−直流−交流変換器(5)の直流側回路(53)による効果太陽電池等の分散型電源やバッテリ等の電力貯蔵手段などの直流電源(6)は直流側回路(53)に接続させるだけでよいので、従来のように個別にインバータを設置する必要がなく、かつ、、配電線(3)の電圧管理や配電線区間の負荷・電力管理と関係なく、配電システムへの直流電源(6)の導入を容易、かつ、安価に行うことができ、近年の電力給配形態に対して高い自由度で対応を実現することができる。
【0033】<B>交流−直流−交流変換器(5)の交流側の効果a.従来では、配電線(3)間の電力潮流制御ができなかったが、この発明では、交流−直流−交流変換器(5)を使って、配電線(3)間の電力潮流制御が可能となるため、配電線(3)間の供給電力を平滑化でき、配電線(3)の利用率の向上、および配電設備投資の抑制を図ることができる。
【0034】b.従来では、配電線(3)の電圧を不連続で、かつ、時間的にゆっくりしたタップで制御しているためにきめ細やかな電圧制御が行えず、直流電源を連系させた場合に、直流電源による逆潮流による電圧上昇抑制のために、配電線(3)に遅相無効電力を流すことになり、配電線(3)の損失が増加してしまう。また、配電線(3)間の電力潮流制御ができないため、負荷の大きな配電線(3)には集中して有効電力を供給する必要があり、さらに配電線損失が増加してもいた。これに対し、この発明では、交流−直流−交流変換器(5)の交流側の電圧制御を行うことにより、配電線(3)のきめ細やかな電圧制御が可能となり、配電線(3)に不要な無効電力を流す必要がなくなるため、配電線(3)の損失の低減を図ることができる。また、交流−直流−交流変換器(5)を使って、配電線(3)間の電力潮流制御も可能となり、配電線(3)に流れる有効電力を最小に制御ができるため、配電線(3)の損失の更なる低減を図ることができる。
【0035】c.従来では、配電線(3)に短絡事故が発生すると、配電用変電所(1)より上位の電力系統(つまり前述した送電システム)から大きな電流が供給されてしまうために、配電設備や需要者の受電設備を多大な短絡容量に耐え得るものにしておく必要があったが、この発明では、各区間の配電線(3)が交流−直流−交流変換器(5)で囲まれているため、短絡事故が発生したとしても従来のように過大な電流は供給されず、配電線設備や需要者の受電設備の短絡容量を低減でき、各種設備のコストダウンを図ることができる。
【0036】d.従来では、配電線(3)の電圧を不連続で、かつ、時間的にゆっくりしたタップで制御しているためにきめ細かな電圧制御が行えないことに起因して、さらに、配電用変電所(1)側の高調波が配電線(3)に流れ込み、需要者へ悪い影響を与えており、また配電線(3)にある高調波源も需要者への悪影響の一要因となっていた。これに対し、この発明では、交流−直流−交流変換器(5)を使って、配電線(3)の電圧をきめ細かく制御できるだけでなく、配電用変電所(1)側に高調波源があったとしても、交流−直流−交流変換器(5)を介して配電線(3)がつながっているために、需要者へ悪影響を与えない。また、配電線(3)内に高調波源があったとしても、上述したように交流−直流−交流変換器(5)にアクティブフィルタ機能が与えられていれば、その配電線(3)につながっている需要者への悪影響は抑制できる。したがって、電圧、高調波、周波数等の電力品質を向上できるようになる。
【0037】e.従来では、前述したように配電線(3)に地絡・短絡事故が発生すると、他の健全な配電線(3)も一旦停電してしまう。また、配電線(3)に連係する分散型電源等の直流電源(6)には、電圧または周波数リレー以外の単独運転防止機能が必要とされ、さらに直電圧上昇抑制機能をも必要とされ、直流電源(6)の導入が困難である。さらにまた、配電線(3)に発生する地絡事故による地絡電流の大きさは、配電用変電所(1)の変圧器(2)から供給されている全ての配電線(3)の対地容量に比例した量であり、大きな地絡電流となっていた。これに対し、この発明では、上述したように地絡・短絡事故による停電は、交流−直流−交流変換器(5)で囲まれた配電線区間に限定されるので、電力供給信頼度を著しく向上できる。また、交流−直流−交流変換器(5)で配電線(3)の電圧監視が可能であるので、分散型電源等の直流電源(6)による単独運転現象は、交流−直流−交流変換器(5)で検出および対応(つまり、交流系統側へ有効電力または無効電力の変動を行わせることにより交流系統の電圧または周波数を変化させる)が可能となり、直流電源(6)には電圧または周波数リレー以外の単独運転防止機能が不要となる。さらに、交流−直流−交流変換器(5)による高圧側の電圧のきめ細かな制御が可能であるので、直流電源(6)の電圧上昇抑制機能も不要となる。よって、直流電源(6)の導入を極めて容易、かつ、安価に実現できる。さらにまた、交流−直流−交流変換器(5)によって各配電線区間を接地系から分離できるので、地絡事故電流は小さく、配電電圧を降圧する変圧器(2)のB種接地工事が容易となり、かつ、、B種接地抵抗値は大きくてもよく、B種接地工事費の低減をも図れる。




 

 


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