JP5841880B2 - 蓄電装置 - Google Patents

Description

本発明は、系統電源と蓄電部との間に介挿される蓄電装置に関わり、詳しくは、停電等による系統電源の異常電圧低下の発生時に系統電源に代わって蓄電部に蓄電された電力を制御用電源に供給するようにした充放電・給電経路形成部について、その消費電力を低減するための技術に関する。

かかる蓄電装置の先行技術（非公知）として、図１０〜図１４に示すものがある。これらの図において、１は系統電源、２は負荷、３は蓄電部、４は主開閉部、５は主開閉部４に接続された双方向電力変換部、６は双方向電力変換部５に接続された平滑コンデンサ、７は系統電源１の停電等による異常電圧低下を検出するための電圧低下検出部、８は系統電源１に接続された制御用電源、９は電圧低下検出部７による検出動作に応答して各部に対する制御を行う制御部、１０ｘは双方向電力変換部５と蓄電部３との間の充放電経路に介挿された充放電・給電経路形成部である。この充放電・給電経路形成部１０ｘは、系統電源１の異常電圧低下時に制御用電源８に対する給電を系統電源１に代わって蓄電部３から行う機能と、蓄電部３の充電状態から放電状態への切り替え時に双方向電力変換部５や平滑コンデンサ６への突入電流を回避する機能も備える。

充放電・給電経路形成部１０ｘは、メイン開閉器２１、限流用開閉器２２、限流用抵抗器２３および給電経路形成用のダイオード２４を備えている。メイン開閉器２１、限流用開閉器２２は、リレーコイルとリレー接点の組み合わせからなる電磁リレーで構成されている。充放電・給電経路形成部１０ｘにおいては、メイン開閉器２１が平滑コンデンサ６の高電位側端子と蓄電部接続端子Ｔ３との間に直列に挿入され、そのメイン開閉器２１に対して限流用開閉器２２と限流用抵抗器２３との直列回路が並列に接続されている。さらに、限流用開閉器２２と限流用抵抗器２３との接続点にダイオード２４のアノードが接続され、そのダイオード２４のカソードが制御用電源８のダイオード接続端子Ｔ５に接続されている。制御部９は、主開閉部４、双方向電力変換部５および充放電・給電経路形成部１０ｘのメイン開閉器２１、限流用開閉器２２のオン／オフ制御を司るものとして構成されている。この蓄電装置にあっては、系統電源１または蓄電部３から電源電力を受けて活性状態となる制御用電源８を起点として、蓄電装置の各部すなわち主開閉部４、双方向電力変換部５、電圧低下検出部７、制御部９その他へ電源電力を供給するようになっている。

次に、上記構成の先行技術の蓄電装置の動作を、（ａ）通常の充電状態からの系統切断時の動作と、（ｂ）通常の放電状態からの系統切断時の動作とに分けて説明する。

図示はしていないが、蓄電装置の待機時すなわち非駆動状態にあっては、メイン開閉器２１および限流用開閉器２２は開成状態に保持されている。それは、蓄電部３からの放電による電力消費を防止するためである。蓄電装置を起動したときは、メイン開閉器２１および限流用開閉器２２は閉成状態へ切り替えられる（図１０参照）。

（ａ）通常の充電状態からの系統切断時の動作
図１０は蓄電装置の通常の充電状態を示している。すなわち、系統電源１が正常状態にあり、制御用電源８に対しては系統電源１から給電が行われている（系統電源１から制御用電源８に向かう太い矢印および○印参照）。このとき、系統電源１からの交流電力が負荷２に供給されているとともに、閉成状態にある主開閉部４を介して双方向電力変換部５にも供給される。系統電源１の正常状態では、制御用電源８から給電を受けている制御部９は、その制御機能として、充放電・給電経路形成部１０ｘにおけるメイン開閉器２１を閉成状態にしているとともに限流用開閉器２２も閉成状態としている。

負荷２が系統電源１から交流電力を受けて動作している状態において、系統電源１からの交流電圧は双方向電力変換部５および平滑コンデンサ６によって所定電圧の平滑化された直流電圧に変換され、閉成状態にあるメイン開閉器２１を介して蓄電部３が充電される。閉成状態にあるメイン開閉器２１は、限流用開閉器２２と限流用抵抗器２３との直列回路を短絡するため、限流用開閉器２２が閉成状態にあっても、平滑コンデンサ６からの出力電流はすべてメイン開閉器２１に流れる。 なお、双方向電力変換部５から蓄電部３に流れ込んで蓄電部３を充電し、元の双方向電力変換部５に逆潮流させる電流は太い矢線で示されている。

図１１は、図１０の通常の充電状態において異常電圧低下により系統電源１が切断された直後の放電開始時の様子を示している。系統電源１が切断されると、電圧低下検出部７が動作して電圧低下検出信号を生成し、制御部９に送出する。電圧低下検出信号を受け取った制御部９は、メイン開閉器２１を閉成状態から開成する。なお、制御部９から各部に向かって描かれた、あるいは制御部９に向けて描かれた破線の矢線は制御系統の信号ラインを表している。

系統電源１が切断され、系統電源１から制御用電源８への電力供給が遮断されると（制御用電源８に向かう破線の矢印と×印参照）、蓄電部３からの放電電流が閉成状態にある限流用開閉器２２およびダイオード２４を介して制御用電源８のダイオード接続端子Ｔ５に流入し、系統電源１の切断にもかかわらず、制御用電源８を活性状態に保持する。制御用電源８が活性状態に保持されているので、制御部９も活性状態に保持され、正常時と同様の制御が可能となっている。

一方、系統電源１が切断状態になると、系統電源１から双方向電力変換部５への電力供給が無くなる。そこで、制御部９は双方向電力変換部５の駆動を一旦停止する。また、蓄電部３は充電状態から放電状態へと切り替えられる。すなわち、蓄電部３からの放電が開始され、その放電電流が平滑コンデンサ６へ流入する。このとき、メイン開閉器２１が開成状態に切り替えられているため、蓄電部３から平滑コンデンサ６に流れる電流は、限流用開閉器２２と限流用抵抗器２３との直列回路を通ることになる。この放電電流はメイン開閉器２１の経路（開成状態）は通らず、限流用開閉器２２と限流用抵抗器２３との直列回路のみを通ることになり、限流用抵抗器２３が限流作用を発揮するので平滑コンデンサ６および双方向電力変換部５に対する突入電流が回避される。

以上のようにして、停電等による系統電源１の異常電圧低下の発生初期における蓄電部３の放電動作が安全に開始される。

図１０の通常の充電状態にあって限流用開閉器２２を閉成状態にしているのは、図１１に示す系統電源１の異常電圧低下が何時如何なるときに発生しても、制御用電源８への給電状態の持続を即応的に確保するためである。もし、通常の充電状態で限流用開閉器２２を開成していれば、その給電持続の即応が間に合わず、制御用電源８が非活性化され、充電状態から放電状態への安全な遷移が確保されなくなってしまうからである。

図１２は放電動作開始直後に通常の放電状態へ移行した状態を示している。ここでは、制御部９は、双方向電力変換部５の駆動を再開するとともに、開成状態にあったメイン開閉器２１を閉成している。主開閉部４は閉成状態とされている。したがって、双方向電力変換部５で生成された交流電力が閉成状態にある主開閉部４を介して負荷２へ供給される。

メイン開閉器２１を閉成するのは、図１１の段階で平滑コンデンサ６および双方向電力変換部５に対する突入電流の流れ込みがすでに回避されており、蓄電部３からの放電電流が平滑コンデンサ６および双方向電力変換部５に対して安定的に供給されるようになったためである。メイン開閉器２１を閉成しても、最早、突入電流とはならないからである。また、メイン開閉器２１を閉成しなければ、限流用抵抗器２３に電流が流れ続け、限流用抵抗器２３での電力消費が増大化することになるが、それを阻止するためにメイン開閉器２１を閉成することとしている。メイン開閉器２１を閉成すれば、限流用開閉器２２と限流用抵抗器２３との直列回路がバイパス的に短絡され、限流用抵抗器２３には電流が流れなくなる。

制御部９によってメイン開閉器２１を閉成すると、蓄電部３からの放電電流は、メイン開閉器２１を通る経路と限流用開閉器２２およびダイオード２４を通る経路とに分岐する。限流用抵抗器２３の両端の電位は同電位となるため、限流用抵抗器２３には電流は流れず、限流用抵抗器２３による電力消費は抑制される。制御用電源８のダイオード接続端子Ｔ５には蓄電部３からの放電電流が限流用開閉器２２およびダイオード２４の給電経路を介して流れ込むので、系統電源１が切断状態となっているにもかかわらず、制御用電源８の活性状態は維持される。メイン開閉器２１を通る放電電流は平滑コンデンサ６および双方向電力変換部５に供給され、双方向電力変換部５によって生成された交流電力が系統電源１に代わって負荷２に供給され、負荷２は引き続き正常に動作する。

以上の図１０から図１２までの遷移でみたように、系統電源１の切断にもかかわらず、負荷２への電力供給は継続される。これが蓄電装置による補償動作である。

（ｂ）通常の放電状態からの系統切断時の動作
図１３は蓄電装置の通常の放電状態を示している。蓄電部３からの放電電流がメイン開閉器２１を通って平滑コンデンサ６および双方向電力変換部５に供給されている状態で、系統電源１が正常に回復し、太い矢印および○印で示すように系統電源１から制御用電源８に給電が再開される。

この図１３に示す通常の放電状態において、不測の系統電源１の異常電圧低下に即応する態勢を確保するために限流用開閉器２２は閉成されている。ただし、メイン開閉器２１は、限流用開閉器２２と限流用抵抗器２３との直列回路を短絡しているため、蓄電部３からの放電電流はすべてメイン開閉器２１に流れ、限流用開閉器２２と限流用抵抗器２３との直列回路には電流が流れない。

図１３の通常の放電状態において、異常電圧低下により系統電源１が切断されると、図１４に示す状態へ移行する（破線の矢印と×印参照）。異常電圧低下によって系統電源１が切断されると、制御部９は双方向電力変換部５の駆動を一旦停止する。その結果、蓄電部３からの放電電流が閉成状態にある限流用開閉器２２およびダイオード２４を介して制御用電源８のダイオード接続端子Ｔ５に流入し、系統電源１の切断にもかかわらず、制御用電源８を活性状態に保持する。メイン開閉器２１が継続して閉成状態にあるため、限流用抵抗器２３には放電電流は流れない。制御用電源８への給電が確保された後、制御部９は双方向電力変換部５の駆動を再開する。

この（ｂ）の図１３から図１４にかけての通常の放電状態からの異常電圧低下による系統電源１の切断時の動作にあっては、平滑コンデンサ６および双方向電力変換部５への突入電流の問題は生じないため、（ａ）の通常の充電状態からの系統切断時の場合のような、メイン開閉器２１と限流用開閉器２２との交互の開成／閉成の動作は必要でない。

特開平０６−４６５７１号公報 特開平０８−３３１８７０号公報 特開２００２−３２０３９０号公報 特開２００４−１１２９５４号公報 特開２００４−２２２４５６号公報

上記の先行技術（非公知）の蓄電装置にあっては、通常の動作時（通常の充電状態および通常の放電状態）において、限流用開閉器２２を常時的に閉成状態に保持している（図１０および図１３参照）。この場合、電磁リレーからなる限流用開閉器２２において、そのリレーコイルへ通電してリレー接点を強制的に閉成する必要がある。そのため、限流用開閉器２２を強制的に閉成しておくための電力消費が累積的に大きなものとなってしまうという問題がある。

限流用開閉器２２をリレーコイルとリレー接点からなる電磁リレーで構成する場合、そのリレー接点はノーマリオフ（常開）方式とするのが一般的である。

もしノーマリオン（常閉）方式であれば、待機状態（非駆動状態）でリレー接点を閉成状態に保持しておくのに、リレーコイルを励磁するための電力を消費する。待機状態であるにもかかわらず、励磁電力を消費するのは不合理である。そこで、一般的にノーマリオフ方式とする。

ノーマリオフ方式とすれば、待機状態（非駆動状態）でリレー接点の開成にはリレーコイルを励磁する必要はなく、励磁電力の消費はない。

しかし、ノーマリオフ方式の場合、稼働状態（駆動状態）でリレー接点を閉成状態に保持しておくには、リレーコイルに励磁電流を流し続ける必要がある。この稼働状態での限流用開閉器の閉成状態保持に要する電力は、累積すると非常に大きなものとなってしまう。

本発明は、このような事情に鑑みて創作したものであり、系統電源の異常電圧低下時において、蓄電部の充電状態から放電状態への切り替わり初期に双方向電力変換部などに対する突入電流を回避するとともに、突入電流回避のために設けてある限流用開閉器と限流用抵抗器との直列回路における限流用開閉器につき、その強制的閉成に起因する電力消費をなくすことができるようにすることを目的としている。

本発明は、次のような手段を講じることにより上記の課題を解決する。

本発明による蓄電装置は、双方向電力変換部と制御用電源と充放電・給電経路形成部と制御部とを備えている。前記の双方向電力変換部は、蓄電部への充電状態において、系統電源からの交流電力を直流変換し、充放電経路を介して蓄電部に給電するように構成されている。双方向電力変換部はまた、蓄電部からの放電状態において、蓄電部の直流電力を交流変換し前記の充放電経路を介して系統電源へ逆潮流させるように構成されている。

前記の制御用電源は、系統電源または蓄電部から電源電力の供給を受けるように構成されている。

前記の充放電・給電経路形成部は、蓄電部と双方向電力変換部との間の前記の充放電経路を形成するとともに、停電等による系統電源の異常電圧低下に際して蓄電部から制御用電源への給電経路を形成するように構成されている。

前記の制御部は、制御用電源から駆動用の電力を受け、系統電源の異常電圧低下の検出に応答して充放電・給電経路形成部の制御を行うように構成されている。

さらに、前記の充放電・給電経路形成部は、前記の充放電経路内のメイン開閉器と、そのメイン開閉器に並列に接続された、限流用開閉器と限流用抵抗器との直列回路と、前記の限流用開閉器が接続された限流用抵抗器の一端側と制御用電源との間に接続された第１の一方向性素子と、限流用抵抗器の他端側と制御用電源との間に接続された第２の一方向性素子とを備えている。

また、前記の制御部は、蓄電部に対する通常の充電状態および通常の放電状態で、メイン開閉器を閉成状態とし、かつ、限流用開閉器を開成状態とし、通常の充電状態からの系統電源の異常電圧低下時には、双方向電力変換部の駆動を停止させた後に限流用開閉器を閉成し、次いでメイン開閉器を開成させるとともに双方向電力変換部の駆動を再開させ、その後にメイン開閉器を閉成し、さらにその直後に限流用開閉器を開成する制御を実行するように構成されている。

通常の充電状態において系統電源に異常電圧低下が発生すると、充放電・給電経路形成部における第２の一方向性素子が自動的に導通し、蓄電部から制御用電源への給電経路（第２の給電経路）が１つ確保される。次いで、制御部が限流用開閉器を閉成するので、第１の一方向性素子も導通し、蓄電部から制御用電源への給電経路（第１の給電経路）がもう１つ確保される。さらに制御部がメイン開閉器を開成するので、蓄電部から双方向電力変換部への電流の流れが限流用開閉器と限流用抵抗器との直列回路を通る経路へと切り替えられ、蓄電部からの放電電流は限流用抵抗器による限流作用を受けるため、双方向電力変換部に対して突入電流が流入することが回避される。その直後に制御部はメイン開閉器を再び閉成するので、放電電流は限流用抵抗器を流れなくなり、電力消費の増大が回避される。さらにその直後に制御部が限流用開閉器を開成する。以上のように、限流用開閉器が閉成状態となるのは、系統電源の異常電圧低下に起因する充電状態から放電状態への切り替わり初期時のみであり、通常動作時（平常時）および充電状態から放電状態への切り替わり後においては、限流用開閉器は開成状態のままでよいので、限流用開閉器につき、その強制的閉成に起因する電力消費をなくすことができる。

上記の構成における本発明の好ましい一態様として、前記の制御部は、通常の放電状態からの系統電源の異常電圧低下時には、メイン開閉器を閉成状態に保持するとともに、限流用開閉器を開成状態に保持した状態で、双方向電力変換部を一旦停止させることで蓄電部からの電源電力をメイン開閉器から第２の一方向性素子を介して制御用電源に給電し、その後双方向電力変換部の駆動を再開させる制御を実行するように構成されているという態様がある。通常の放電状態からの系統電源の異常電圧低下時の制御としては、上述の通常の充電状態からの系統電源の異常電圧低下時の制御とは異なり、放電状態から充電状態への切り替えはなく、放電状態を継続する。この場合、蓄電部からの放電電流突入の問題は生じない。したがって、限流用抵抗器を機能させる必要がなく、限流用開閉器も閉成する必要がなく、したがってまた、メイン開閉器も開閉する必要がない。系統電源の異常電圧低下に伴って第２の一方向性素子が自動的に導通するので、制御用電源に対する給電は、系統電源からの給電に代わって蓄電部から給電に切り替えられる。

さらに、本発明の好ましい一態様として、前記のメイン開閉器および限流用開閉器は、ノーマリオフタイプの電磁リレーで構成されているという態様がある。電磁リレー以外に、パワーＭＯＳＦＥＴで構成してもよい。

さらに、本発明の好ましい一態様として、前記の第１および第２の一方向性素子は、ダイオードで構成されているという態様がある。これら両方の一方向性素子をダイオードで構成する代わりに、ダイオード構造のトランジスタで構成してもよい。それは、ＭＯＳＦＥＴの場合はゲートとドレインとを短絡接続したものであり、バイポーラトランジスタの場合はベースとコレクタとを短絡接続したものである。

さらに、本発明の好ましい一態様として、前記の双方向電力変換部は、系統電源から負荷への給電ラインに接続される正弦波コンバータおよび昇降圧チョッパで構成されているという態様がある。ここでの正弦波コンバータとしては、系統電源側から蓄電部側へは交流‐直流変換を行い、蓄電部側から系統電源側へは直流‐交流変換を行うブロックが好ましい。また、昇降圧チョッパとしては、系統電源側から蓄電部側へは降圧チョッパ機能をし、蓄電部側から系統電源側へは昇圧チョッパ機能をするブロックが好ましい。

本発明によれば、系統電源の異常電圧低下時の充電状態から放電状態への切り替わり初期における双方向電力変換部等への突入電流の回避はもちろん、通常動作時（平常時）および充電状態から放電状態への切り替わり後においては、限流用開閉器を開成状態にしておくことにより、限流用開閉器につき、その強制的閉成に起因する電力消費をなくすことができる。

本発明の実施例の蓄電装置の構成および動作説明図（その１） 本発明の実施例の蓄電装置の動作説明図（その２） 本発明の実施例の蓄電装置の動作説明図（その３） 本発明の実施例の蓄電装置の動作説明図（その４） 本発明の実施例の蓄電装置の動作説明図（その５） 本発明の実施例の蓄電装置の動作説明図（その６） 本発明の実施例の蓄電装置の動作説明図（その７） 本発明の実施例の蓄電装置の動作説明図（その８） 本発明の他の実施例の充放電・給電経路形成部の構成図 先行技術（非公知）の蓄電装置の構成および動作説明図（その１） 先行技術の蓄電装置の動作説明図（その２） 先行技術の蓄電装置の動作説明図（その３） 先行技術の蓄電装置の動作説明図（その４） 先行技術の蓄電装置の動作説明図（その５）

本発明による蓄電装置は、その大きな構成要素として、双方向電力変換部と制御用電源と充放電・給電経路形成部と制御部とを備えている。

前記の双方向電力変換部は、外部要素である系統電源と同じく外部要素である蓄電部との間で系統連系を行うものであり、蓄電部への充電状態において系統電源からの交流電力を直流変換し充放電経路を介して蓄電部に給電する一方、蓄電部の放電状態においては蓄電部からの直流電力を充放電経路を介して受け、交流変換して系統電源へ逆潮流させるように構成されている。

前記の制御用電源は、系統電源または蓄電部から電源電力の供給を受けて駆動し、さらに前記の制御部に対して駆動用の電力を供給するようになっている。

前記の充放電・給電経路形成部は、蓄電部と双方向電力変換部との間の充放電経路を形成するとともに、停電等による系統電源の異常電圧低下に際して、制御部からの制御によって、蓄電部から制御用電源への給電経路を形成するものである。系統電源に異常電圧低下が生じても、蓄電装置の動作を通常通り継続させるためには、制御部の動作継続が必要であり、その補償のために蓄電部から充放電・給電経路形成部を介して制御用電源に電源電力を供給するようにしている。

この充放電・給電経路形成部は、充放電経路内のメイン開閉器と、このメイン開閉器に並列に接続された、限流用開閉器と限流用抵抗器との直列回路と、限流用開閉器が接続された限流用抵抗器の一端側と制御用電源との間に接続された第１の一方向性素子と、限流用抵抗器の他端側と制御用電源との間に接続された第２の一方向性素子とを備えている。詳しくは次のとおりである。

限流用開閉器と限流用抵抗器との直列回路はメイン開閉器に対して並列に接続されている。第１の一方向性素子は、限流用開閉器と限流用抵抗器の接続点から制御用電源へ向かう給電経路を形成するもので、系統電源の正常時には非導通状態とされるようになっている。第２の一方向性素子は、限流用抵抗器とメイン開閉器の接続点から制御用電源へ向かう給電経路を形成するもので、これも系統電源の正常時には非導通状態とされるようになっている。

前記の制御部は、制御用電源から駆動用の電力を受け、系統電源の異常電圧低下の検出に応答して充放電・給電経路形成部の制御を行うものである。すなわち、この制御部は、蓄電部に対する通常の充電状態および通常の放電状態で、メイン開閉器を閉成状態とし、かつ、限流用開閉器を開成状態とする制御を実行する。さらに、制御部は、通常の充電状態からの系統電源の異常電圧低下時には、限流用開閉器を一時的に閉成し、次いでメイン開閉器を開成し直後に閉成し、さらにその直後に限流用開閉器を開成する制御を実行する。

詳しくは次のとおりである。

通常の充電状態において系統電源に停電等による異常電圧低下が発生すると、制御用電源に対する系統電源からの電源電力供給が低下することから、制御用電源の内部状態が変化し、その結果として、充放電・給電経路形成部における第２の一方向性素子がそれまでの非導通状態から導通状態へと遷移する。これに対して、第１の一方向性素子は非導通状態のままである。この差異が生じるのは、通常の充電状態にあっては、第２の一方向性素子のアノード側に接続のメイン開閉器が閉成状態にされているのに対して、第１の一方向性素子のアノード側に接続の限流用開閉器は開成状態にされているからである。

異常電圧低下の発生時には、第２の一方向性素子が直ちに導通状態に切り替わり、蓄電部からメイン開閉器および第２の一方向性素子を介して制御用電源に電源電力が供給される。つまり、蓄電部から制御用電源への給電経路（第２の給電経路）が確保される。この動作は、制御部による制御で行われるのではなく、系統電源の異常電圧低下に伴って生じる蓄電部と制御用電源との間の電位差変化に基づいて自動的に行われる。

制御部は、系統電源の異常電圧低下に応答して次の４つのステップの制御を実行する。

〈１〉制御部はまず、開成状態にあった限流用開閉器を閉成する。この閉成は、後記〈４〉までの一時的なものである。この限流用開閉器の閉成により、第１の一方向性素子も導通状態に切り替わり、蓄電部から制御用電源への給電経路（第１の給電経路）がもう１つ確保される。これで、次の〈２〉のメイン開閉器の開成切り替えの準備が整ったことになる。

〈２〉次いで制御部はメイン開閉器を開成する。メイン開閉器が開成されると、蓄電部から双方向電力変換部への電流の流れは、それまでのメイン開閉器を通る経路から〈１〉で閉成状態に切り替えられた限流用開閉器と限流用抵抗器との直列回路を通る経路へと切り替えられる。そうすると、蓄電部からの放電電流は限流用抵抗器による限流作用を受けるため、双方向電力変換部に対して突入電流が流入することが回避される。すなわち、突入電流を回避した状態で、蓄電部から双方向電力変換部への放電が開始されることになる。

この放電電流に対する限流作用のためにはメイン開閉器を開成する必要があるが、メイン開閉器を開成すると、メイン開閉器および第２の一方向性素子を介しての蓄電部から制御用電源への第２の給電経路が消失し、もし〈１〉の限流用開閉器の閉成を抜きにしてメイン開閉器を開成してしまうと、蓄電部から制御用電源への給電経路が無くなって、制御部が動作不能状態に陥ってしまうことになる。この不都合を回避するために、あらかじめ〈１〉の限流用開閉器の閉成を行っているのである。

〈３〉制御部は上記の〈２〉の直後にメイン開閉器を再び閉成する。蓄電部から双方向電力変換部への突入電流の回避は瞬間的に実現される。そこで、メイン開閉器を閉成状態に戻す。もし、この動作を行わないとなれば、蓄電部からの放電電流は限流用開閉器と限流用抵抗器との直列回路を流れ続けることになり、限流用抵抗器での電力消費が続くことになる。また、〈４〉の限流用開閉器の開成が行えないことになってしまう。限流用開閉器は原則開成状態に保持しておくのが本発明での前提となっている。したがって、突入電流の回避がなされた直後には、メイン開閉器を再び閉成するのである。メイン開閉器の閉成により蓄電部からの放電電流は限流用抵抗器を流れることはなく、電力消費の増大が回避される。

この〈３〉の状態では、蓄電部から制御用電源への給電経路は、第１の給電経路と第２の給電経路の２つが確保されている。

〈４〉制御部は〈３〉の直後に限流用開閉器を開成する。この状態は、蓄電部から双方向電力変換部への放電状態が安定的に開始された状態である。したがって、系統電源の正常時と同様に、限流用開閉器は元の開成状態に戻してよいことになる。すると、〈１〉〜〈３〉での限流用開閉器の閉成に要した電力は必要でなくなる。限流用開閉器を開成状態に戻すと、蓄電部から制御用電源への第１の給電経路が消失するが、蓄電部から制御用電源へは〈３〉で閉成状態に戻ったメイン開閉器と第２の一方向性素子とによる第２の給電経路が残っているので、異常電圧低下による系統電源の切断にもかかわらず、制御用電源を活性状態に保持することが可能である。

以上の一連の制御動作の結果、本発明によれば、系統電源の異常電圧低下に起因する充電状態から放電状態への切り替わり初期において、双方向電力変換部等に対する突入電流の回避はもちろん、通常動作時（平常時）および充電状態から放電状態への切り替わり後においては、限流用開閉器を開成状態にしておくことにより、先行技術で必要とした、リレーコイル励磁電力のような限流用開閉器につき、その強制的閉成に起因する電力消費は、これを確実に防止することが可能となった。

以下、本発明にかかわる蓄電装置の実施例を、図面を参照して詳細に説明する。

まず、構成要素を列挙する。図１において、Ａは蓄電装置、１は系統電源、２は負荷、３は蓄電部、４は主開閉部、５は双方向電力変換部、６は平滑コンデンサ、７は電圧低下検出部、８は制御用電源、９は制御部、１０は充放電・給電経路形成部である。

充放電・給電経路形成部１０の構成要素として、２１はメイン開閉器、２２は限流用開閉器、２３は限流用抵抗器、２４は第１の一方向性素子としての第１のダイオード、２５は第２の一方向性素子としての第２のダイオードである。なお、メイン開閉器２１、限流用開閉器２２は、ノーマリオフタイプの電磁リレーにより構成されるが、半導体スイッチその他の開閉手段でもよい。

次に、上記の構成要素をもつ蓄電装置Ａの構成を説明する。

蓄電装置Ａは、その双方向入出力端子Ｔ１，Ｔ２が系統電源１と負荷２とを接続する主線路部に接続され、その蓄電部接続端子Ｔ３，Ｔ４に蓄電部３が接続されている。双方向入出力端子Ｔ１，Ｔ２には、系統電源１から見て、電圧低下検出部７、主開閉部４、双方向電力変換部５および平滑コンデンサ６がこの順に接続され、平滑コンデンサ６が蓄電部接続端子Ｔ３，Ｔ４に接続されている。平滑コンデンサ６の高電位側端子と蓄電部接続端子Ｔ３とを結ぶ充放電経路中に充放電・給電経路形成部１０が介挿されている。

双方向電力変換部５は、系統電源１の交流電力を直流電力に変換し降圧して平滑コンデンサ６に出力する動作と、平滑コンデンサ６の直流電力を昇圧し交流電力に変換して負荷２へ出力する動作とが切り替え可能に構成されたもので、例えば正弦波コンバータと昇降圧チョッパおよび正弦波コンバータと昇降圧チョッパとの間の平滑コンデンサから構成される。

また、双方向入出力端子Ｔ１，Ｔ２と主開閉部４との間に電圧低下検出部７が介挿されている。これとは別経路で双方向入出力端子Ｔ１，Ｔ２に制御用電源８が接続され、制御用電源８の出力側に制御部９が接続されている。電圧低下検出部７は、系統電源１の停電を含む瞬間的な基準電圧以下の電圧低下を検出するもので、その電圧低下を検出したときは制御部９に電圧低下検出信号を送出するように構成されている。

制御部９は、主開閉部４、双方向電力変換部５および充放電・給電経路形成部１０を制御するものとして構成されている。すなわち、制御部９は、電圧低下検出部７から電圧低下検出信号を受け取ったときは、それまで活性状態（駆動状態）にあった双方向電力変換部５を一時的に非駆動状態に切り替える制御、および充放電・給電経路形成部１０の状態を変更する制御を実行するように構成されている。

充放電・給電経路形成部１０は次のように構成されている。すなわち、平滑コンデンサ６の高電位側端子と蓄電部接続端子Ｔ３との間にメイン開閉器２１が挿入され、そのメイン開閉器２１に対して限流用開閉器２２と限流用抵抗器２３との直列回路が並列に接続されている。さらに、限流用開閉器２２と限流用抵抗器２３との接続点に第１のダイオード２４のアノードが接続され、その第１のダイオード２４のカソードが制御用電源８のダイオード接続端子Ｔ５に接続されている。さらに、限流用抵抗器２３と平滑コンデンサ６あるいはメイン開閉器２１との接続点に第２のダイオード２５のアノードが接続され、その第２のダイオード２５のカソードが制御用電源８のダイオード接続端子Ｔ５に接続されている。

制御用電源８は、系統電源１の正常時も切断時も制御部９に電源電力を供給するものとして構成されている。また、この制御用電源８を起点として、蓄電装置Ａにおける主開閉部４、双方向電力変換部５、電圧低下検出部７その他へ電源電力を供給するようになっている。

上記の構成において、限流用抵抗器２３と平滑コンデンサ６との接続点と制御用電源８のダイオード接続端子Ｔ５との間に第２のダイオード２５を挿入するのは、限流用開閉器２２を常時的に開成していても、かつ、図２に示す停電等による異常電圧低下が何時如何なるときに発生しても、制御用電源８への給電状態が持続されることに対して、即応的に対処するためである。

次に、上記構成の蓄電装置Ａの動作を、（Ａ）通常の充電状態からの系統切断時の動作と、（Ｂ）通常の放電状態からの系統切断時の動作とに分けて、以下に説明する。

いま、系統電源１と蓄電部３とが蓄電装置Ａを介して連系状態にあるとする。蓄電装置Ａは、蓄電部３の電圧が相対的に低いときは双方向電力変換部５から蓄電部３への充電を行う通常の充電状態を呈し、蓄電部３の電圧が相対的に高いときは蓄電部３から双方向電力変換部５への放電を行う通常の放電状態を呈する。系統電源１の正常状態では、蓄電装置Ａは、この通常の充電状態と通常の放電状態のいずれかの状態となる。

この通常の充電状態および放電状態にあっては、図１や図７に示すように、充放電・給電経路形成部１０における限流用開閉器２２は、先行技術（図１０、図１３参照）とは異なり、常時的に開成状態となるように構成されている。この限流用開閉器２２はノーマリオフタイプであり、開成状態とするのに、そのリレーコイルに電流を流す必要はない。すなわち、系統電源１の正常時にあっては、限流用開閉器２２につき、その強制的閉成に起因する電力消費は生じない。

（Ａ）通常の充電状態からの系統切断時の動作
〔１〕通常の充電状態（図１参照）
上記の構成の説明に用いた図１は蓄電装置Ａの通常の充電状態を示している。すなわち、系統電源１が正常状態にあり、系統電源１からの交流電力が負荷２に供給されているとともに、閉成状態にある主開閉部４を介して双方向電力変換部５にも供給されている。

また、制御用電源８に対して系統電源１から給電が行われており（太い矢印および○印参照）、制御用電源８は活性状態にある。

系統電源１の正常状態では、制御部９は、その制御機能として、主開閉部４を閉成状態に保ち、双方向電力変換部５を活性状態に保つとともに、充放電・給電経路形成部１０におけるメイン開閉器２１は閉成状態に保つ一方、限流用開閉器２２は開成状態に保つように機能している。

以上の結果、系統電源１が正常状態にあるとき、蓄電装置Ａの動作状態は次のようになっている。

負荷２は、系統電源１から交流電力を受けて動作している。双方向電力変換部５は、系統電源１から交流電力を受け、その交流電力を直流電力に変換し降圧し、その直流電力を閉成状態にあるメイン開閉器２１を介して出力し、蓄電部３を充電している。

なお、蓄電装置Ａの駆動開始初期（起動時）にあっては、双方向電力変換部５を活性化するのに先立って平滑コンデンサ６にあらかじめ充電しておくものとする。それは、駆動開始初期の蓄電部３等への突入電流を回避するためである。双方向電力変換部５からの直流電圧が平滑コンデンサ６で平滑化された上で蓄電部接続端子Ｔ３，Ｔ４に出力され、この直流電力によって蓄電部３が充電される。

〔２〕系統切断時（図２、図３参照）
図２は、図１の通常の充電状態において異常電圧低下により系統電源１が切断された直後の放電開始時の様子を示している。異常電圧低下により系統電源１が切断されると、そのことを電圧低下検出部７が検出し、電圧低下検出信号を制御部９に送出する。電圧低下検出信号を受け取った制御部９は、それまで活性状態にあった双方向電力変換部５の駆動を一旦停止する。これにより、双方向電力変換部５から蓄電部３への充電状態が停止され、代わって、蓄電部３から双方向電力変換部５への放電の状態へと移行する準備が整えられることになる。

この図２の状態では、メイン開閉器２１は閉成状態のままであり、限流用開閉器２２は開成状態のままである。したがって、蓄電部３からの放電電流が閉成状態にあるメイン開閉器２１および第２のダイオード２５からなる第２の給電経路を介して制御用電源８のダイオード接続端子Ｔ５に流入し、系統電源１の切断にもかかわらず、制御用電源８を活性状態に保持する。制御用電源８が活性状態に保持されているので、制御部９も活性状態に保持され、正常時と同様の制御が可能となっている。

図２の状態となった直後に図３の状態へと移行する。すなわち、制御部９は、充放電・給電経路形成部１０における限流用開閉器２２を開成状態から閉成状態に切り替える。

この切り替えの制御は、次の〔３〕で説明する図４の突入電流回避のためのメイン開閉器２１の開成の準備動作である。もし、前もって限流用開閉器２２を閉成せず開成状態のままとするなら、次の〔３〕でメイン開閉器２１を開成した瞬間に制御用電源８のダイオード接続端子Ｔ５への放電電流の流入が消失し、制御用電源８が不測に非活性状態に切り替わってしまい、制御不能に陥る。この不都合を未然に回避するため、図４のメイン開閉器２１を開成する前に図３のように限流用開閉器２２を閉成しておくのである。

限流用開閉器２２を閉成することにより、蓄電部３の放電電流は、メイン開閉器２１および第２のダイオード２５からなる第２の給電経路と限流用開閉器２２および第１のダイオード２４からなる第１の給電経路との２経路を介して制御用電源８のダイオード接続端子Ｔ５に流入する。したがって、制御用電源８の活性状態は保持される。

〔３〕放電開始時（図４参照）
図３の状態となった直後に図４の状態へと移行する。すなわち、制御部９は、充放電・給電経路形成部１０におけるメイン開閉器２１を閉成状態から開成状態に切り替える。このときすでに、限流用開閉器２２が閉成状態となっており、制御用電源８の活性状態の保持はあらかじめ確保されている。メイン開閉器２１を開成すると、蓄電部３からの放電電流は、限流用開閉器２２と限流用抵抗器２３との直列回路を通って平滑コンデンサ６や双方向電力変換部５に流れ込む。この放電電流は限流用抵抗器２３による限流作用を受けるため、平滑コンデンサ６や双方向電力変換部５に対して突入電流が流入することが回避される。ここでの制御により、突入電流を回避した状態で、蓄電部３から双方向電力変換部５への放電が開始されることになる。

〔４〕通常の放電状態（図５、図６参照）
図４の状態となった直後に図５の状態へと移行する。すなわち、制御部９は、双方向電力変換部５の駆動を再開するとともに、充放電・給電経路形成部１０におけるメイン開閉器２１を開成状態から閉成状態に切り替える。双方向電力変換部５で生成された交流電力が閉成状態にある主開閉部４を介して負荷２へ供給される。

メイン開閉器２１が閉成状態になると、蓄電部３からの放電電流は、限流用開閉器２２と限流用抵抗器２３との直列回路の経路に流れる状態からメイン開閉器２１の経路に流れる状態へと切り替えられる。

放電電流がもっぱらメイン開閉器２１の経路にのみ流れるのは、それと並列の限流用開閉器２２と限流用抵抗器２３との直列回路での抵抗値に比べてメイン開閉器２１の経路の抵抗値が充分に小さいからであり、放電電流はメイン開閉器２１を短絡的に流れることになる。すなわち、放電電流が限流用抵抗器２３を流れるのは図４の一瞬のみであり、突入電流が回避されるに至った直後からは限流用抵抗器２３には放電電流は流れないため、限流用抵抗器２３での電力消費の増大は回避されることになる。換言すれば、限流用抵抗器２３での電力消費は最小限のもので済ませることができる。なお、これについては先行技術でも同様のことが言え、このこと自体は本発明のポイントではない。

このとき、蓄電部３から制御用電源８のダイオード接続端子Ｔ５に流入する電流の経路は、図３と同様、２経路に戻る。

このようにして、蓄電部３からの放電電流が閉成状態のメイン開閉器２１を介して平滑コンデンサ６および双方向電力変換部５に供給される通常の放電状態が開始される。メイン開閉器２１を通る蓄電部３からの放電電流は平滑コンデンサ６および双方向電力変換部５に供給され、双方向電力変換部５によって生成された交流電力が主開閉部４を介して、系統電源１に代わって負荷２に供給され、負荷２は引き続き正常に動作する。

図５の状態となった直後に図６の状態へと移行する。すなわち、制御部９は、充放電・給電経路形成部１０における限流用開閉器２２を閉成状態から元の開成状態に切り替える。制御用電源８のダイオード接続端子Ｔ５へはメイン開閉器２１および第２のダイオード２５の第２の給電経路を介して放電電流が流入し続けるため、制御用電源８の活性状態は保持される。蓄電部３からの放電電流は、図５の状態に引き続き、メイン開閉器２１を介して平滑コンデンサ６および双方向電力変換部５に供給される。

以上のようにして、停電等による異常電圧低下の発生初期における蓄電部３の放電動作が安全に開始される。すなわち、系統電源１の切断にもかかわらず、負荷２への電力供給は継続され、負荷２は切断前と同様に安定的な動作を継続する。

図１の通常の充電状態および図６の通常の放電状態にあって、限流用開閉器２２が開成されているため、限流用開閉器２２を強制的に閉成しておくための電力消費をなくすことができる。これは、図１０〜図１２に示した限流用開閉器２２が常時的に閉成されている先行技術に比べて、消費電力抑制の観点で大きな効果をもたらす。すなわち、本発明実施例の蓄電装置Ａによれば、系統電源１の切断時における制御用電源８の活性状態保持と、蓄電部３からの放電開始時における平滑コンデンサ６および双方向電力変換部５への突入電流の確実な回避とを達成しつつ、系統電源１の正常時には限流用開閉器２２は常時的に開成状態としておいてもよいことから、先行技術の場合のような限流用開閉器２２を強制的に閉成しておくための電力消費をなくすことができる。

図３の状態から図５の状態にかけて限流用開閉器２２を強制的に閉成状態に切り替え保持しておくためのリレーコイルへの通電が必要となるが、その期間はきわめてわずかなものであり、必要な電力もきわめてわずかなものですむ。

（Ｂ）通常の放電状態からの系統切断時の動作
〔１〕通常の放電状態（図７参照）
図７は本発明実施例の蓄電装置Ａの通常の放電状態を示している。蓄電部３からの放電電流がメイン開閉器２１を通って平滑コンデンサ６および双方向電力変換部５に供給されている図６の状態で、系統電源１が正常に回復し、図７で太い矢印および○印で示すように系統電源１から制御用電源８に給電が再開される。

メイン開閉器２１は閉成状態にあり、限流用開閉器２２は開成状態にある。蓄電部３からの放電電流は、閉成状態にあるメイン開閉器２１を通って平滑コンデンサ６および双方向電力変換部５に流れ込む。双方向電力変換部５は、蓄電部３から供給される直流電力を昇圧および直流‐交流変換して交流電力を生成し、生成した交流電力を系統電源１に代わって負荷２に供給し、負荷２を正常に動作させている。

〔２〕系統電源切断後の放電状態（図８参照）
図７の通常の放電状態において、停電等による異常電圧低下により系統電源１が切断されると、図８に示す状態へ移行する。停電等による異常電圧低下によって系統電源１が切断されると、制御部９は双方向電力変換部５の駆動を一旦停止する。その結果、蓄電部３から閉成状態にあるメイン開閉器２１および第２のダイオード２５を通って制御用電源８のダイオード接続端子Ｔ５に放電電流が流入し、系統電源１の切断にもかかわらず、制御用電源８は、その活性状態が維持される。制御用電源８への給電が確保された後、制御部９は双方向電力変換部５の駆動を再開する。

以上の図７から図８にかけての状態遷移で分かるように、系統電源１の正常状態、切断状態のいかんにかかわらず、限流用開閉器２２は常時的に開成状態となっているため、限流用開閉器２２を強制的に閉成しておくための電力消費は起こらない。

図９の（ａ）〜（ｄ）は充放電・給電経路形成部１０に関して別の実施例の構成を示す。

図９（ａ）に示す充放電・給電経路形成部１０では、第１および第２の一方向性素子２４，２５として、ダイオード構造のＮチャンネル型のパワーＭＯＳＦＥＴを採用している。すなわち、Ｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴにおいて、そのゲートとドレインとを短絡接続したものであり、これはダイオードと同様に一方向性素子となる。

図９（ｂ）に示す充放電・給電経路形成部１０では、第１および第２の一方向性素子２４，２５として、Ｐチャンネル型のパワーＭＯＳＦＥＴにおいて、そのゲートとドレインとを短絡接続したものであり、これも一方向性素子となる。

図９（ｃ）に示す充放電・給電経路形成部１０では、第１および第２の一方向性素子２４，２５として、ダイオード構造のバイポーラ型でＮＰＮ型のパワートランジスタを採用している。すなわち、ＮＰＮ型のトランジスタにおいて、そのベースとコレクタとを短絡接続したものであり、これも一方向性素子となる。

図９（ｄ）に示す充放電・給電経路形成部１０では、第１および第２の一方向性素子２４，２５として、バイポーラ型でＰＮＰ型のパワートランジスタのベースとコレクタとを短絡接続したものであり、これも一方向性素子となる。

本発明は、無停電電力供給システム等における蓄電装置において、系統電源の切断時の蓄電部の充電状態から放電状態への切り替わり初期における双方向電力変換部への突入電流を回避するとともに、突入電流回避のための限流用開閉器につき、その強制的閉成に起因する電力消費をなくし、消費電力を低減する技術として有用である。

１ 系統電源
２ 負荷
３ 蓄電部
４ 主開閉部
５ 双方向電力変換部
６ 平滑コンデンサ
７ 電圧低下検出部
８ 制御用電源
９ 制御部
１０ 充放電・給電経路形成部
２１ メイン開閉器
２２ 限流用開閉器
２３ 限流用抵抗器
２４ 第１のダイオード（第１の一方向性素子）
２５ 第２のダイオード（第２の一方向性素子）

Claims (5)

1. 蓄電部への充電状態において系統電源からの交流電力を直流変換し充放電経路を介して前記蓄電部に給電するとともに、前記蓄電部からの放電状態において前記蓄電部の直流電力を交流変換し前記充放電経路を介して前記系統電源へ逆潮流させる双方向電力変換部と、
   前記系統電源または前記蓄電部から電源電力の供給を受ける制御用電源と、
   前記蓄電部と前記双方向電力変換部との間の前記充放電経路を形成するとともに停電等による前記系統電源の異常電圧低下に際して前記蓄電部から前記制御用電源への給電経路を形成する充放電・給電経路形成部と、
   前記制御用電源から駆動用の電力を受け、前記系統電源の異常電圧低下の検出に応答して前記充放電・給電経路形成部の制御を行う制御部とを備え、
   前記充放電・給電経路形成部は、
   前記充放電経路内のメイン開閉器と、
   前記メイン開閉器に並列に接続された、限流用開閉器と限流用抵抗器との直列回路と、
   前記限流用開閉器が接続された前記限流用抵抗器の一端側と前記制御用電源との間に接続された第１の一方向性素子と、
   前記限流用抵抗器の他端側と前記制御用電源との間に接続された第２の一方向性素子とを備え、
   前記制御部は、
   前記蓄電部に対する通常の充電状態および通常の放電状態で、前記メイン開閉器を閉成状態とし、かつ、前記限流用開閉器を開成状態とし、
   前記通常の充電状態からの前記系統電源の異常電圧低下時には、前記双方向電力変換部の駆動を停止させた後に前記限流用開閉器を閉成し、次いで前記メイン開閉器を開成させるとともに前記双方向電力変換部の駆動を再開させ、その後に前記メイン開閉器を閉成し、さらにその直後に前記限流用開閉器を開成する制御を実行するように構成してあることを特徴とする蓄電装置。
2. 前記制御部は、通常の放電状態からの前記系統電源の異常電圧低下時には、前記メイン開閉器を閉成状態に保持するとともに、前記限流用開閉器を開成状態に保持した状態で、前記双方向電力変換部を一旦停止させることで前記蓄電部からの電源電力を前記メイン開閉器から前記第２の一方向性素子を介して前記制御用電源に給電し、その後前記双方向電力変換部の駆動を再開させる制御を実行するように構成されている請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記メイン開閉器および前記限流用開閉器は、ノーマリオフタイプの電磁リレーで構成されている請求項１または２に記載の蓄電装置。
4. 前記第１および第２の一方向性素子は、ダイオードで構成されている請求項１ないし３のいずれかに記載の蓄電装置。
5. 前記双方向電力変換部は、前記系統電源から負荷への給電ラインに接続される正弦波コンバータおよび昇降圧チョッパで構成されている請求項１ないし４のいずれかに記載の蓄電装置。

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