CN102916480B

CN102916480B - 太阳光发电系统

Info

Publication number: CN102916480B
Application number: CN201210144907.6A
Authority: CN
Inventors: 川本真也; 远藤保
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-08-03
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2032-05-11
Also published as: CN102916480A; JP5854687B2; EP2555077A2; EP2555077A3; US20130033111A1; JP2013038826A

Abstract

本申请提供一种太阳光发电系统，即使在一部分阵列的发电特性降低的情况下，作为系统整体的发电特性也能维持最佳状态。具有多个阵列的太阳光发电装置（1）和具有多个二次电池的蓄电装置（2）。对太阳光发电装置和蓄电装置分别设置DC/DC变换器（3、4），连接这些DC/DC变换器，并且将各DC/DC变换器与AC/DC变换器（5）连接，构成一个发电·蓄电单元。准备多个所述单元，将各单元（U1～Un）经由各个AC/DC变换器与配电系统（7）连接。在各单元的太阳光发电装置中设有使其输出特性为最大地控制最大功率点追踪控制的控制部（32）。各单元的蓄电装置中设有检测蓄电池侧的电压，进行其的充放电控制的控制部（42）。设有与各单元的控制部（32、42）连接，进行其的充放电以及输出控制的统括控制装置（6）。

Description

太阳光发电系统

本申请，以日本专利申请：特愿2011-170246(申请日2011/08/03)为基础，从该申请中享受优先的权利。通过参照该申请，本申请包含该申请的所有内容。

技术领域

本发明涉及一种具有太阳光发电装置和蓄电装置的太阳光发电系统。

背景技术

在“Mega Solar”等大规模太阳光发电装置中，以电池进行其输出变动的抑制时，一般地，准备对于大规模太阳光发电装置和大规模电池分别对应的输出容量的AC/DC变换器，在太阳光发电装置和电池间以交流连接。

另一方面，以往，在太阳光发电装置中，采用对于日照的变化等带来的功率特性的变化，追踪电压和电流的最佳动作点而进行控制以使太阳电池的输出功率始终最大的技术。

该技术被称为MPPT(Maximum Power Point Tracking)。在这种MPPT技术中，对功率，根据由传感器得到的电流·电压值计算发电特性的峰值，在发电特性的峰值中，向功率的斜率变为零的方向，对发电装置的动作点进行微小的控制。

发明内容

现有技术中，由于将太阳光发电装置的阵列整体作为对象进行MPPT控制，所以如果由于脏、污、日影在一部分阵列中发电功率下降，则发电特性将具有多个峰值。其结果，不能正确地确定作为动作点的基准的、发电特性的峰值，将造成系统整体的功率损失。

此外，在现有技术中，一台变换器连接所有电池，所以仅能利用一种电池，不能连接特性不同的电池。所以，在现有技术中，难以实现与发电装置的输出特性、功率的使用状况符合的电池特性的最优化。

这样，在现有技术中，利用分别设于各个装置的AC/DC变换器连接了一个太阳光发电装置和一组电池装置。所以，需要进行一边协调发电量与电池的充放电，一边还要以交流系统抑制输出变动这样的困难的控制。

本实施方式的目的在于，提供一种太阳光发电系统：即使在由于日影等影响一部分阵列的发电特性降低的情况下，也能维持作为系统整体的发电特性的最佳状态。

本实施方式的太阳光发电系统的特征在于具有以下结构。

(1)具有具有多个阵列的太阳光发电装置、和具有多个二次电池的蓄电装置。

(2)对各个上述太阳光发电装置和蓄电装置，设有DC/DC变换器，连接这些DC/DC变换器，并且将各DC/DC变换器连接到AC/DC变换器，构成一个发电·蓄电(发电/蓄电)单元。

(3)准备多个上述单元，将各单元经由各个AC/DC变换器连接到配电系统。

(4)对于各单元的太阳光发电装置，设置控制部，进行最大功率点追踪控制，一边使其输出特性最大。

(5)对于各单元的蓄电装置，设置控制部，检测与太阳光发电装置连接的直流配线的电压，进行用于将该电压控制在预定的范围内的充放电控制。

(6)设有统括控制装置，利用通信与各单元的控制部连接，进行各单元的充放电以及输出控制。

(7)统括控制装置，根据各单元的太阳光发电装置的输出值，算出系统整体的输出目标值，将其向各单元的AC/DC变换器发送。

(8)对于各单元的AC/DC变换器，设置控制部，为了根据从统括控制装置接收到的输出目标值而进行系统集联，而控制AC/DC变换器。

根据上述结构的太阳光发电系统，能提供一种：即使在由于日影等影响，一部分阵列的发电特性降低了的情况下，作为系统整体的发电特性也能够维持最佳状态的太阳光发电系统。

附图说明

图1是示出本发明的第1实施方式的概要的配线图。

图2是示出第1实施方式中的各部的详细的配线图。

图3是示出太阳电池发电装置中的MPPT控制的动作的图表。

图4是示出在太阳电池发电装置算出输出目标值的方法的一例的图表。

图5是示出本发明的第2实施方式的配线图。

图6是示出本发明的第3实施方式的配线图。

图7是示出本发明的第4实施方式的配线图。

图8是示出本发明的第5实施方式的配线图。

图9是示出本发明的第6实施方式的配线图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。

1.第1实施方式

(1)实施方式的结构

(a)整体结构

如图1所示，本实施方式的太阳光发电系统具有多个发电·蓄电单元(以下，称为单元)U1～Un。各单元U1～Un具有：具有多个阵列1a～1n的太阳光发电装置1、和具有多个电池组(battery pack)2a～2n的蓄电装置2。

将DC/DC变换器3、4分别设于太阳光发电装置1和蓄电装置2，连接这些DC/DC变换器3、4彼此。将该DC/DC变换器3、4与设于相同单元内的AC/DC变换器5连接。

上述多个单元U1～Un，由从各个AC/DC变换器5的输出侧延长出来交流系统的配线并联连接，该配线通过变压器7a与配电系统7连接。

各单元U1～Un的DC/DC变换器3、4以及AC/DC变换器5，连接了设于单元外部的统括控制装置6。即，各单元U1～Un的DC/DC变换器3、4以及AC/DC变换器5，设有用于控制太阳光发电装置1和蓄电装置2的运转的控制部，这些控制部，通过通信部，经由通信线与上述统括控制装置6连接，进行控制信息的收发。

(b)各部的详细结构

以下，利用图2说明本实施方式的各装置的详细情况。

各单元的太阳光发电装置1的DC/DC变换器3，具有变换器本体31、和进行最大功率点追踪控制以使太阳光发电装置1的输出特性变为最大的控制部32。该控制部32，具有统括控制装置6、和在蓄电装置侧的DC/DC变换器4以及AC/DC变换器5之间进行通信的通信部33。此外，DC/DC变换器3具有计测各阵列1a～1n的输出电流以及电压的传感器34。

各单元的蓄电装置2的各电池组2a～2n，具有分别连接多个电池而成的二次电池列21。各电池组2a～2n具有：控制构成二次电池列21的各电池的充放电的控制部22，和在该控制部22和DC/DC变换器4之间收发控制信息的通信部23。向该通信部23输入构成二次电池列21的各电池的输出电流以及电压。

各电池组2a～2n具有管理部24。该管理部24，与上述控制部22以及通信部23连接，基于来自DC/DC变换器4的充放电指令以及各个电池的充放电状态，进行构成二次电池列21的各个电池的充放电控制以及电池组整体的充放电控制。即，这些控制部22、通信部23以及管理部24，构成各电池组2a～2n的电池管理单元(BMU)。

设于各单元的蓄电装置2的DC/DC变换器4具有进行基于变换器本体41的输入输出电压的变换、和各电池组2a～2n的充放电的控制部42。该控制部42，在统括控制装置6、太阳光发电装置侧的DC/DC变换器3以及AC/DC变换器5之间，具有收发各电池组2a～2n的充放电信息、控制信息的通信部43。

所以，通信部43，也与检测DC/DC变换器4的输入输出电流、电压的传感器44、以及设于各电池组2a～2n的电池管理单元的通信部23连接。

各单元中的AC/DC变换器5的控制部52控制AC/DC双方向逆变器51，以置为从统括控制装置6发送来的输出目标值，从而进行系统集联。

AC/DC双方向逆变器51被控制部52控制输出值，将从太阳光发电装置1侧的DC/DC变换器4以及电池组2侧的DC/DC变换器4输出的直流电压变换为交流电压并输出。

此外，AC/DC变换器5，在统括控制装置6、太阳光发电装置侧的DC/DC变换器3以及蓄电装置侧的DC/DC变换器4之间，具有收发充放电信息、控制信息的通信部53。

统括控制部6具有管理部61和通信部63。管理部61经由各单元U1～Un的AC/DC变换器5的通信部和通信部63而进行连接，进行各单元U1～Un的充放电以及输出控制、和对于各单元U1～Un与配电系统7的输出控制。

所以，管理部61，具有基于各单元的太阳光发电装置的输出值，算出从系统整体对于送电系统7的输出目标值的运算部(未图示)。该管理部61，将在运算部中算出的输出目标值P，经由通信部63，向各单元U1～Un的AC/DC变换器5发送。

统括控制部6，监视构成各单元U1～Un的各太阳光发电装置1的输出信息、以及与各蓄电装置2相关的充放电信息，保存至管理部61，并显示。由此，进行构成设于各电池组2a～2n的二次电池列的各电池的SOC(State Of Charge)、寿命的管理。

此外，管理部61根据从各单元U1～Un取得的信息，从各电池组2a～2n之中，决定进行充放电的电池组，把握利用于直流系统稳定化的电池组。即，管理部61根据从各单元U1～Un的DC/DC变换器4接收的直流电压变动的速度，分开使用电池组2a～2n。

(3)实施方式的作用

(a)太阳光发电装置的作用

在各单元U1～Un的太阳光发电装置1中，向该单元的DC/DC变换器3输出各太阳光发电装置1具有的阵列1a～1n所发电而产生的功率。

在这种情况下，太阳光发电装置1的DC/DC变换器3进行MPPT(Maximum Power Point Tracking)控制。该MPPT控制被称为最大功率点追踪控制，是公知技术。图3是示出MPPT控制的动作原理的图表。该图表的纵轴表示太阳光发电装置1的输出电压，横轴表示DC/DC变换器3的输出电压。如该图表所示，在日射强度低的情况和高的情况下，形成最佳动作点的输出电压不同。因此，DC/DC变换器3的控制部32，对照日射强度来控制来自太阳光发电装置1的输出电压。

这样一来，DC/DC变换器3的控制部32根据MPPT控制控制来自太阳光发电装置1的输出电压。其后，DC/DC变换器3的变换器本体31根据控制部32的指令，将如上所述而得到的来自太阳光发电装置1的输出电压变换为预定的直流电压。

此外，各单元U1～Un的DC/DC变换器3，将从传感器34等得到的各单元U1～Un的太阳光发电装置1的输出值，经由通信部33，向统括控制装置6以及各单元U1～Un的AC/DC变换器4发送。另外，输出值等数据的收发，可以在各设备间直接进行，也可以经由统括控制装置6。

(b)蓄电装置的作用

蓄电装置2，是用于进行太阳光发电装置1发电所产生的功率的储藏和稳定供给的装置。太阳光发电装置1的输出，经由太阳光发电装置的DC/DC变换器3以及蓄电装置2的DC/DC变换器4，通过直流系统而送至蓄电装置2的各电池组2a～2n。

蓄电装置2的DC/DC变换器4，由传感器44检测直流系统的电压，并进行各电池组2a～2n的充放电控制，以便连接于AC/DC变换器5侧的直流系统的电压收敛在一定范围内。

即，各电池组2a～2n的管理部24，从统括控制装置6接收与构成二次电池列的各电池的SOC(State Of Charge)、寿命相关的信息，根据该接收数据，控制各个二次电池的充放电。由此，各电池组2a～2n，对应于构成的二次电池的性质、容量等，而展现出不同的充放电特性。

这样，由于各电池组2a～2n的充放电特性不同，所以来自各电池组2a～2n的输出电压也不同。与这些输出电压相关的信息，经由通信部23以及43被发送至DC/DC变换器4的控制部42。控制部42中，根据来自各电池组2a～2n的信息和来自设于DC/DC变换器4的输出侧的传感器44的信息(DC/DC变换器4的输出电压)，变换来自各电池组2a～2n的输出电压，并进行控制，以便由传感器44检测出的直流系统的电压收敛在一定范围内。

另外，如上所述，电池组侧的直流电压在各个电池组不同，但在本实施方式中，不对各个电池组2a～2n的电压进行检测、利用。即，连接于太阳光发电装置1的一侧的直流配线有规定的范围，蓄电装置2的DC/DC变换器4在各电池组中，按每个组，独立地进行不同的直流电压和上述直流配线侧的电压之间的变换。

这样，在本实施方式中，由于太阳光发电装置1的发电量和由AC/DC变换器5返回给交流的功率量的比例不同，上述直流配线电压发生变动，但为了使该变动收敛于规定的范围，蓄电装置2的DC/DC变换器4在电池组2a～2n之间进行充放电。

在这种情况下，从构成各电池组的二次电池的充放电以及各电池组2a～2n对AC/DC变换器5的输出电压的控制，通过各单元U1～Un的DC/DC变换器4，能够按每个单元独立地控制。

(c)AC/DC变换器的作用

蓄电装置2的DC/DC变换器4，如上述那样连接于AC/DC变换器5。所以，DC/DC变换器4的输出，经由直流系统，发送至AC/DC变换器5，在AC/DC变换器5中变换为用于系统集联的交流。另外，在蓄电装置2放电时，来自上述太阳光发电装置1的DC/DC变换器3的功率也发送至AC/DC变换器5，在AC/DC变换器5中，变换为用于系统集联的交流。

AC/DC变换器5的控制部52，接受从统括控制装置6指示的输出目标值P，按照该指示，控制AC/DC变换器本体51，进行系统集联。在这种情况下，各单元U1～Un通过变压器7a与配电系统7并联连接，、各单元U1～Un独立地进行系统集联。

(d)统括控制装置6的作用

设于统括控制装置6的管理部61的运算部，使用从太阳光发电装置1的DC/DC变换器3发送的输出观测数据，算出作为系统的输出目标值P。该输出目标值P如上述那样被送至AC/DC变换器5的控制部52，由控制部52控制的AC/DC变换器本体51，将直流系统的功率变换为处于系统的规格内的交流，进行系统集联。

对于该输出目标值的算出方法，周知移动平均法(参照专利文献1)、变动幅度中心法等。图4是示出移动平均法的原理的图表。该图表的纵轴表示太阳光发电装置的输出电压，横轴表示时间的经过。如该图表所示，在移动平均法中，以一定的间隔(t_-5～t)计测太阳光发电装置(PV)的输出，算出该计测值的平均值P_t，从而得到输出目标值。

该统括控制装置6，经由该通信部63，连接于各单元U1～Un的太阳光发电装置1、蓄电装置2以及那些DC/DC变换器3、4。而且，通过统括控制装置6的管理部61，进行上述那样的各设备的信息的取得、充放电的控制等。

(4)实施方式的效果

本实施方式具有以下的效果。

(a)经由DC/DC变换器3、4以小规模的单元U1～Un连接太阳光发电装置1和蓄电装置2，由交流使整体的系统协作，从而不需要一边观察直流侧的实时的状态一边进行控制，与现有技术相比，与充放电以及系统集联相关的控制更容易。

(b)太阳光发电装置1分散配置于多个单元U1～Un，所以对于局部的脏、污、日影，与现有技术比较，能够基于MPPT实现最优化。其结果，能够在局部抑制日影等引起的运转效率的降低，能够降低对系统整体的效率的影响。

(c)针对每个单元U1～Un，作为蓄电装置21，能够利用成本、充放电特性等种类不同的二次电池，能够进行蓄电特性的最优化。

(d)在各个单元U1～Un中，通过以直流系统连接太阳光发电装置1和蓄电装置2，各DC/DC变换器3、4能够分担各个独立的控制，不需要针对每个单元U1～Un设置统括控制部并进行控制，不需要进行经由单元U1～Un内的通信线的复杂的控制。

2.第2实施方式

图5是示出本发明的第2实施方式的图。如图5所示，第2实施方式，将多个具有多个单元U1～Un的太阳光发电系统并联连接于配电系统7。各太阳光发电系统分别设置于不同的地域，经由专用的变压器7a、7b......连接于配电系统7。

在该第2实施方式中，各单元U1～Un，如第1实施方式所示，在各个单元内，完成控制，因此不需要多个太阳光发电系统整体内的复杂的控制。所以，通过按每个单元U1～Un，连接于交流系统，能够实现大规模的太阳光发电系统。

例如，如果较近地域内的单元U1～Un彼此以200V连接，按每个地域单位，经由变压器7a、7b......以6.6kV等连接，则送电效率也很好。

3.第3实施方式

图6是示出本发明的第3实施方式的图。第3实施方式，作为蓄电装置，使用小型扬水发电机10和可变速逆变器11的组合。在该第3实施方式中，与使用二次电池作为蓄电装置2的情况相同，能够控制汲水和发电以使直流系统稳定化。

即，在蓄电时，将来自太阳光发电装置1的功率通过直流系统向可变速逆变器(相当于第1实施方式的DC/DC变换器3)11供给，利用由该可变速逆变器11变换的功率，将小型扬水发电机10作为扬水机进行驱动。

另一方面，在放电时，使用扬水后的水的能量，利用小型扬水发电机10进行发电，将其功率利用可变速逆变器11向直流系统输出。被输出直流功率，与第1实施方式相同地，利用AC/DC变换器5与输出目标值P匹配，向交流系统输出。

在该第3实施方式中，可以将全部的单元U1～Un蓄电装置2作为小型扬水发电机10和可变速逆变器11，但也能够对某一个单元U1～Un使用小型扬水发电机10和可变速逆变器11。

根据该第3实施方式，与将所有单元U1～Un的蓄电装置2由二次电池构成的情况相比较，能够以更低价来构筑系统。此外，在利用已有的气缸等中贮留的水等、能够设置小型扬水发电机的环境中，是特别有利的。

4.第4实施方式

图7示出本发明的第4实施方式。在该第4实施方式中，通过电机12与可变速逆变器11的组合，利用重锤13的位置势能进行蓄电。

即，例如，向地下深处挖纵坑，在其内部，配置通过电机12进行升降的重锤13。该重锤13，在蓄电时，通过由来自太阳光发电装置1的功率进行驱动的电机12，拉上来到纵坑的上部。另一方面，在放电时，通过重力使重锤13向纵坑的底部下降，利用其位置势能，将电机12作为发电机进行驱动。

这样，在第4实施方式中，作为蓄电装置2，通过利用重锤的位置势能，能够有效地利用设于地下的纵坑等空间，来进行蓄电。

另外，在该第4实施方式中，可以将全部的单元U1～Un的蓄电装置2作为电机12和重锤13，但也能够对某一个单元U1～Un使用电机12和重锤13。

5.第5实施方式

图8示出本发明的第5实施方式。该第5实施方式，在对蓄电装置2使用二次电池的情况下，将该二次电池自身作为上述第4实施方式的重锤13。

该第5实施方式能够同时利用二次电池的蓄电能量和重锤13的位置势能。其结果，不只是能实现地下空间的有效利用，还因为将二次电池配置在温度变化少的地下，所以能够将其周围温度保持为一定，能够防止二次电池的寿命降低。

在该第5实施方式中，也能够采用仅对单元U1～Un的一部分，将二次电池作为重锤使用的结构。

6.第6实施方式

图9示出本发明的第6实施方式。该第6实施方式，将利用了压缩空气的能量储藏作为蓄电装置2来使用。

在第6实施方式中，在与直流系统连接的可变逆变器11上连接电动的压缩机20，在充电时，利用来自太阳光发电装置1的功率，驱动该压缩机20，在气缸21内储藏压缩空气。另一方面，在放电时，向与气缸21连接的发动机或涡轮22，吹出气缸21内的压缩空气，从而驱动与发动机或涡轮连接的发电机。

在该第6实施方式中，也能够对太阳光发电装置1的发电功率进行充放电。在该实施方式中，也能与上述各实施方式相同地，利用各单元U1～Un内的直流系统，并且，与其它单元相独立地进行蓄电装置的充放电控制。

在该第6实施方式中，也能采用仅对单元U1～Un的一部分使用压缩空气的能量的结构，其它单元U1～Un将二次电池作为蓄电装置2来。

7.其它实施方式

上述实施方式，在本说明书中，作为一个例子进行了提示，并不意在限制发明的范围。即，能够以其它各种各样的方式进行实施，在不脱离发明范围的范围内，能够进行各种省略、置换或改变。这些实施方式或其变型例，与包含于发明的范围、要旨中同样地，包含在与权利要求书所记载的发明相等同的范围内。

Claims

1.一种太阳光发电系统，具有太阳光发电装置和蓄电装置，该太阳光发电装置具有多个阵列，该蓄电装置具有多个二次电池，该太阳光发电系统的特征在于，

对于所述太阳光发电装置和所述蓄电装置分别设置DC/DC变换器，将这些第三DC/DC变换器以及第四DC/DC变换器进行连接，并且将各DC/DC变换器与AC/DC变换器连接，构成一个发电/蓄电单元，

准备多个所述发电/蓄电单元，将各发电/蓄电单元通过各自的AC/DC变换器与配电系统连接，

对各发电/蓄电单元的太阳光发电装置，设置第1控制部，该第1控制部进行最大功率点追踪控制以使该太阳光发电装置的输出特性最大，

对各发电/蓄电单元的蓄电装置，设置第2控制部，该第2控制部检测蓄电池侧的电压，进行蓄电池的充放电控制，

该蓄电装置具有多个电池组，各个电池组具有二次电池列、控制二次电池列的各电池单元的充放电的控制部以及在与所述第四DC/DC变换器之间发送接收控制信息的通信部，

设置统括控制装置，通过通信来与各发电/蓄电单元的第1控制部以及第2控制部连接，进行各单元的充放电以及输出控制，

所述统括控制装置，根据各发电/蓄电单元的太阳光发电装置的输出值，算出系统整体的输出目标值，将该输出目标值向各发电/蓄电单元的AC/DC变换器发送，

对各发电/蓄电单元的AC/DC变换器，设置第3控制部，该第3控制部为了根据从所述统括控制装置接收到的输出目标值进行系统集联，而控制所述AC/DC变换器，

所述第四DC/DC变换器根据来自所述多个电池组的信息和来自设于所述第四DC/DC变换器的输出侧的传感器的信息，控制所述蓄电装置的所述电池组的充放电，以便由所述传感器检测出的直流系统的电压收敛在一定范围内。

2.根据权利要求1所述的太阳光发电系统，其特征在于，

将具有多个所述发电/蓄电单元的太阳光发电系统，以多个系统并联的方式与送电配电系统连接。

3.根据权利要求1或2所述的太阳光发电系统，其特征在于，

使用扬水发电机，作为各发电/蓄电单元的至少一个蓄电装置。

4.根据权利要求1或2所述的太阳光发电系统，其特征在于，

使用由电机进行升降的重锤、和利用该重锤的位置势能进行发电的发电机，作为各发电/蓄电单元的至少一个蓄电装置。

5.根据权利要求4所述的太阳光发电系统，其特征在于，

将所述蓄电装置自身作为所述重锤来使用。

6.根据权利要求1或2所述的太阳光发电系统，其特征在于，

使用储藏由压缩机压缩的空气的压缩空气气缸、和由来自压缩空气气缸的空气进行驱动的发电机，作为各发电/蓄电单元的至少一个蓄电装置。