JP2002209338A - 直流発電用系統連系装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数の直流発電装置を用いて発電させ、効率
よく商用交流電力変換して系統連系させる。 【解決手段】 複数の直流発電装置１１，１２，…，１
Ｎのうちの少なくとも１つの出力を直流変換装置２０で
出力電圧が調整可能な直流電力に変換する。逆変換装置
２１には、直流変換装置２０からの直流電力と、他の直
流発電装置１２，…，１Ｎからの直流電力とが直列に入
力され、全体の入力電圧が予め定める値となるように、
直流変換装置２０によって調整される。逆変換装置２１
は、商用交流電力と系統連系した交流電力を出力する。
他の直流発電装置１２，…，１Ｎからの直流電力は、直
流変換装置を用いずに直接逆変換装置２１に入力させる
ので、変換効率を向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、太陽電池や燃料電
池などの複数の直流発電装置が発電する直流電力を、商
用交流電力と系統連系させてしようするための直流発電
用系統連系装置および方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、エネルギの有効利用を図るた
め、太陽電池や燃料電池などを用いる発電が行われてい
る。太陽電池は、直流電力を発生するけれども、出力は
日照量に応じて変動する。燃料電池では、熱として利用
するとともに発電も行うコージェネレーションシステム
として、総合的なエネルギの変換効率向上を図ることが
多いため、出力が変動する。発生した電力を消費する負
荷の電力需要も、種々の理由で変動する。発電側の出力
変動と負荷側の需要変動とは必ずしも対応しないので、
負荷側は電力の供給源を太陽電池や燃料電池などの直流
発電装置のみに限ることはできない。そこで、直流発電
装置からの直流電力を商用交流電力と組合わせ、直流発
電装置を効率よく発電が可能な範囲で動作させて、負荷
側での電力需要が発電電力よりも多くなるときには、商
用交流電力から電力を供給するような構成が広く用いら
れている。

【０００３】一般に、電力の負荷となる電気機器は、商
用交流電力で動作することを前提に製造されている。し
たがって、直流発電装置を商用交流電力と併用するとき
は、直流発電装置からの出力を交流電力に変換し、商用
交流電力と同様に負荷となる電気機器に供給する必要が
ある。併用の対象となる商用商用交流電力は、電気事業
者が発電し、広域的な送電網を介して広く電力の需要者
に供給している。商用交流電力の供給は、公共的な使命
があるので、直流発電装置を商用交流電力と組合わせて
運転させるためには、一般に、インバータと呼ばれる装
置を用いて、直流発電装置から発生される直流電力を、
商用交流電力の電圧と位相とに適合させる系統連系を行
って、交流電力に変換するようにしている。

【０００４】図６は、従来からの直流発電用系統連系装
置の使用形態を示す。直流発電装置としては、Solar Ce
llからＳＣと略称される太陽電池１と、Proton Exchang
eMembraneからＰＥＭ型と呼ばれる陽イオン交換膜によ
る固体高分子型の燃料電池２とが使用される。太陽電池
１および燃料電池２からはそれぞれ電圧が異なる直流電
力が出力され、出力も異なる要因に従って変動するの
で、パワーコンディショナと呼ばれる直流発電用系統連
系装置３，４がそれぞれ設けられる。

【０００５】太陽電池１からの直流電力を商用交流電力
に連系させる直流発電用系統連系装置３には、電圧が２
０Ｖ〜２００Ｖ程度の範囲で変動する直流電力を、たと
えば４００Ｖの一定電圧の直流電力に変換する直流変換
装置としてのＤＣ／ＤＣ変換装置５と、ＤＣ／ＤＣ変換
装置５から出力される４００Ｖの直流電力を、たとえば
実効値が２２０Ｖの交流電力に変換する逆変換装置とし
てのＤＣ／ＡＣ変換装置６とが含まれる。燃料電池２か
らの直流電力を商用交流電力に連系させる直流発電用系
統連系装置４には、電圧が５０Ｖ程度の範囲の直流電力
を、たとえば４００Ｖの一定電圧の直流電力に変換する
直流変換装置としてのＤＣ／ＤＣ変換装置７と、ＤＣ／
ＤＣ変換装置５から出力される４００Ｖの直流電力を、
たとえば実効値が２２０Ｖの交流電力に変換する逆変換
装置としてのＤＣ／ＡＣ変換装置８とが含まれる。

【０００６】太陽電池１および燃料電池２は、分散型電
源としての普及が期待されている。太陽電池１および燃
料電池２の出力電力は、個人の家庭などでの使用を想定
して定められる。太陽電池１の出力電力は、３．５ｋＷ
程度である。燃料電池２の出力電力は、コージェネレー
ションシステムとして熱を利用する関係から、１ｋＷ程
度となる。ＤＣ／ＤＣ変換装置５，７は、たとえば９０
％程度の変換効率で、直流電力間の変換を行う。ＤＣ／
ＡＣ変換装置６，８は、たとえば９７％程度の変換効率
で、直流電力を系統連系させて交流電力に変換する。し
たがって、元の太陽電池１と燃料電池２とで３．５ｋＷ
＋１ｋＷ＝４．５ｋＷの直流電力を発生するときに、並
列に接続される直流発電用系統連系装置３，４からは
３．９ｋＷの交流電力を得ることができ、総合的な変換
効率は８７％となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図６に示すように、１
件の家に太陽電池１と燃料電池２とを設置して商用交流
電力と系統連系させる場合、それぞれの出力を直流発電
用系統連系装置３，４を介して並列に接続している。一
般に、接続する直流発電装置の種類が異なる場合、発電
機などの特性もそれぞれ異なるので、並列運転が難しく
なる。図６に示すような構成では、並列運転のために、
効率が必ずしも高くないＤＣ／ＤＣ変換装置５，７をそ
れぞれ用いている。

【０００８】１件の家などに、太陽電池１や燃料電池２
などの複数の直流発電装置を設置する場合、出力を直列
に接続するようにすれば、直流発電用系統連系装置を小
型化することが可能になると期待される。しかしなが
ら、太陽電池１の出力変動が大きい一方で、燃料電池２
は出力を変動させるのが難しいという問題がある。直列
に接続するには、太陽電池１の出力変動によって、燃料
電池の動作が不安定になるという問題がある。さらに、
直列に接続すると、回路に流すことができる電流値は、
各直流発電装置の定格出力電流のうち、最も小さい電流
値に制限されてしまうという問題もある。

【０００９】本発明の目的は、複数の直流発電装置を用
いて発電させ、効率よく商用交流電力に系統連系した交
流電力を得ることができる直流発電用系統連系装置およ
び方法を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、複数の直流発
電装置が発電する直流電力を、交流電力に変換させて商
用交流電力と系統連系させる直流発電用系統連系装置に
おいて、少なくとも１つの直流発電装置からの直流電力
を、出力電圧が調整可能な直流電力に変換する直流変換
装置と、該直流変換装置で出力を変換する直流発電装置
を除く他の直流発電装置からの直流電力、および該直流
変換装置からの直流電力が直列に接続されて入力され、
商用交流電力と連系する交流電力に変換する逆変換装置
とを含み、該直流変換装置は、該逆変換装置に入力され
る直流電力の入力電圧が予め設定される値となるよう
に、出力電圧を調整することを特徴とする直流発電用系
統連系装置である。

【００１１】本発明に従えば、複数の直流発電装置が発
電する直流電力を、交流電力に変換させて商用交流電力
と系統連系させる直流発電用系統連系装置は、直流変換
装置と逆変換装置とを含む。直流変換装置は、少なくと
も１つの直流発電装置からの直流電力を、出力電圧が調
整可能な直流電力に変換する。逆変換装置は、直流変換
装置で出力を変換する直流発電装置を除く他の直流発電
装置からの直流電力、および直流変換装置からの直流電
力が直列に接続されて入力され、商用交流電力と連系す
る交流電力に変換する。直流変換装置は、逆変換装置に
入力される直流電力の入力電圧が予め設定される値とな
るように、出力電圧を調整するので、直流変換装置を用
いない直流発電装置から出力される直流電力の電圧が変
動しても、逆変換装置に入力させる直流電力の電圧を予
め定める電圧に調整するので、変動の影響を緩和し、安
定に交流電力に変換させることができる。直流変換装置
を用いない直流発電装置からの発電出力は、高い効率で
交流電力に変換することができる。

【００１２】また本発明で、前記逆変換装置に直列に入
力される直流変換装置および直流発電装置の出力には、
他の出力からの直流電流をバイパスするバイパス回路が
設けられることを特徴とする。

【００１３】本発明に従えば、直列に接続されて逆変換
装置に入力される直流変換装置および直流発電装置の出
力には、他の出力からの直流電源をバイパスするバイパ
ス回路が設けられるので、出力電流の最小定格容量など
に制限されることなく、複数の直流発電装置を運転する
ことが可能となる。

【００１４】さらに本発明は、前述のいずれかに記載の
直流発電用系統連系装置を用い、燃料電池から出力され
る直流電力を前記直流変換装置で出力電圧が調整可能な
直流電力に変換し、前記逆変換装置には、該直流変換装
置からの出力電圧と、太陽電池からの出力電圧とを直列
に接続して入力することを特徴とする直流発電用系統連
系方法である。

【００１５】本発明に従えば、燃料電池から出力される
直流電力を出力電圧が調整可能な直流変換装置で直流電
力に変換し、太陽電池から出力される直流電力と直列に
逆変換装置に入力し、商用交流電力と系統連系させる。
燃料電池からの出力電圧は変動が小さく、太陽電池から
の出力電圧は変動が大きいけれども、燃料電池の出力側
に直流変換装置を用いて、逆変換装置への入力電圧を予
め定める電圧に調整することができる。太陽電池の出力
側には直流変換装置を用いないので、直流変換装置を用
いることによる効率低下を避け、全体として効率よく、
商用交流電流との系統連系を行うことができる。特に、
自然エネルギである太陽電池の出力を制限することな
く、燃料電池の運転を安定して行うことができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の一形態と
しての直流発電用系統連系装置１０の基本的な構成を示
す。本実施形態の直流発電用系統連系装置１０は、複数
の直流発電装置である直流発電装置１１，１２，…，１
Ｎが発電する直流電力を、交流電力に変換させて商用交
流電力と系統連系させる。直流発電用系統連系装置１０
は、直流変換装置２０および逆変換装置２１を含む。複
数の直流発電装置１１，１２，…，１Ｎのうち、少なく
とも１つの直流発電装置１１からの直流電力は、直流変
換装置２０で直流電力に変換される。直流変換装置２０
は、出力電圧が調整可能である。逆変換装置２１には、
直流変換装置２０で出力を変換する直流発電装置１１を
除く他の直流発電装置１２，…，１Ｎからの直流電力、
および直流変換装置２０からの直流電力が直列に接続さ
れて入力される。逆変換装置２１は、入力される直流電
力を、商用交流電力と連系する交流電力に変換する。

【００１７】直流変換装置２０は、逆変換装置２１に入
力される直流電力の入力電圧が予め設定される値となる
ように、出力電圧を調整するので、直流変換装置２０を
用いない直流発電装置１２，…，１Ｎから出力される直
流電力の電圧が変動しても、逆変換装置２１に入力させ
る直流電力の電圧を予め定める電圧に調整することがで
きる。これによって、直流発電装置１２，…，１Ｎから
出力される直流電力の変動の影響を緩和し、安定に交流
電力に変換させることができる。直流変換装置２０を用
いない直流発電装置１２，…，１Ｎからの発電出力は、
高い効率で交流電力に変換することができる。

【００１８】また本実施形態の直流発電用系統連系装置
１０では、逆変換装置２１に直列に入力される直流変換
装置２０および直流発電装置１２，…，１Ｎの出力に
は、他の出力からの直流電流をバイパスするバイパス回
路３０が設けられる。バイパス回路３０は、たとえば直
流変換装置２０および直流発電装置１２，…，１Ｎから
の直流電力の極性とはＰＮ接合の方向が逆方向となるよ
うにそれぞれ接続されるダイオード３１，３２，…，３
Ｎによって実現される。

【００１９】このように、本実施形態の直流発電用系統
連系装置１０では、直列に接続されて逆変換装置２１に
入力される直流変換装置２０および直流発電装置１２，
…，１Ｎの出力には、他の出力からの直流電源をバイパ
スするバイパス回路３０が設けられるので、出力電流の
最小定格容量などに制限されることなく、複数の直流発
電装置１１，１２，…，１Ｎを運転することが可能とな
る。

【００２０】図２は、図１の直流発電用系統連系装置１
０を制御するための具体的なシステム構成を示す。直流
変換装置２０および逆変換装置２１からの出力は、演算
・制御部４０によって制御される。演算・制御部４０が
制御する出力の基準は、設定手段４１によって設定され
る。演算・制御部４０は、保護機能として備付けられる
遮断器４２を導通させる連系と、遮断させる解列との制
御も行う。

【００２１】直流変換装置２０の直流入力部に直流発電
装置１１からの直流電力が入力されるときの直流変換装
置２０からの出力電圧および出力電流は、電圧計測部４
３および電流計測部４４によってそれぞれ計測され、計
測結果は演算・制御部４０に与えられる。直流変換装置
２０の出力および直流発電装置１２，…，１Ｎの出力を
直列にした逆変換装置２１の入力電圧は、電圧計測部４
５によって計測され、計測結果は演算・制御部４０に与
えられる。逆変換装置２１からの出力電圧および出力電
流は、電圧計測部４６および電流計測部４７によってそ
れぞれ計測され、計測結果は演算・制御部４０に与えら
れる。

【００２２】図３は、図２の演算・制御部４０による系
統連系のための制御手順を示す。ステップｓ０から手順
を開始し、ステップｓ１では、直流変換装置２０の出力
電流ＩI_out と出力電圧ＶI_outとを、電流計測部４４
および電圧計測部４３からの出力に基づいて監視する。
次にステップｓ２で、逆変換装置２１の入力電圧ＶI_in
を、電圧計測部４５からの出力に基づいて監視する。次
にステップｓ３で、逆変換装置２１の入力電圧の基準値
Ｖ0に対する入力電圧ＶI_inの偏差△Ｖを、△Ｖ＝ＶI_i
n−Ｖ0に従って演算する。次のステップｓ４では、偏差
△Ｖが０であるか否かを判断する。△Ｖ＝０でないと判
断されるときは、ステップｓ５に進む。ステップｓ５で
は、直流変換装置２０の出力電力Ｐi＝設定値Ｐ0 を維
持したまま（Ｐ0はたとえば１ｋＷ）、直流変換装置の
出力電圧がＶI_out−△Ｖとなるよう、修正信号を直流
変換装置２１へ出力する。ステップｓ５が終了した後、
またはステップｓ４で△Ｖ＝０と判断されるときは、ス
テップｓ１に戻る。以下、ステップｓ１からステップｓ
５までの演算および制御を繰返す。逆変換装置２１で
は、一定電圧に制御されて入力される直流電力を、スイ
ッチング制御で商用交流電力の位相と合わせ、交流出力
部から交流電力として出力する。

【００２３】図４は、図１の直流発電用系統連系装置１
０を用いて、太陽電池５１と燃料電池５２とを直流発電
装置として商用交流電力に系統連系させる場合の基本的
な考え方と変換効率の計算例とを示す。すなわち、図４
（ａ）に示すように、図６と同様な出力電圧２０〜２０
０Ｖ程度の太陽電池５１と出力電圧５０Ｖ程度の燃料電
池５２とを組合わせて４００Ｖの直流電圧を発生させ
る。変換効率を向上させるためとコンパクト化とを図る
ため、直流変換装置２０は燃料電池５２の出力側にのみ
用い、この出力と、太陽電池５１の出力とを直列に接続
する。太陽電池５１が直列に接続されるので、直流変換
装置２０での昇圧分を少なくすることができる。また、
太陽電池５１の出力側には直流変換装置を用いないの
で、直流変換装置の数を少なくすることができる。直流
変換装置は、チョッパ形式のインバータであり、昇圧分
が少なくなることによって効率が向上し、使用数が少な
くなることによって、コンパクト化が可能になる。

【００２４】図４（ｂ）に示すように、太陽電池５１の
出力と、燃料電池５２の出力側の直流変換装置２０の出
力とを直列にして逆変換装置２１に入力すると、太陽電
池５１の出力を損失無しで逆変換装置２１に入力するこ
とができる。直流変換装置２０および逆変換装置２１の
変換効率を、図６のＤＣ／ＤＣ変換装置５，７およびＤ
Ｃ／ＡＣ変換装置６，８とそれぞれ同等の９０％および
９７％とすると、同一条件でも４．３ｋＷの交流出力電
力を得ることができる。このときの変換効率は９５％と
なり、図６の例よりも８％向上させることができる。

【００２５】この計算例では、燃料電池５２から出力さ
れる直流電力を出力電圧が調整可能な直流変換装置２０
で９０％の効率で直流電力に変換し、太陽電池５１から
出力される直流電力と直列に逆変換装置２１に入力し、
商用交流電力と系統連系させる。燃料電池５２からの出
力電圧は変動が小さく、太陽電池５１からの出力電圧は
変動が大きいけれども、燃料電池５２の出力側に直流変
換装置２０を用いて、逆変換装置２１への入力電圧を予
め定める電圧に調整することができる。太陽電池５１の
出力側には直流変換装置を用いないので、直流変換装置
を用いることによる効率低下を避け、全体として効率よ
く、商用交流電流との系統連系を行うことができる。特
に、自然エネルギである太陽電池５１の出力を制限する
ことなく、燃料電池５２の運転を安定して行うことがで
きる。

【００２６】図５は、本発明の実施の他の形態としての
直流発電用系統連系装置６０の基本的な電気的構成を示
す。本実施形態で、図１の実施形態の直流発電用系統連
系装置１０に対応する部分には同一の参照府を付し、重
複する説明を省略する。本実施形態では、図１の実施形
態のバイパス回路３０を省略している。バイパス回路３
０を用いないので、直列に接続する直流発電装置１１，
１２，…，１Ｎの出力電流が、最小値に制限されるけれ
ども、低い電圧の直流電力を有効に利用して、商用交流
電力と系統連系を行うことができる。

【００２７】以上で説明したように各実施形態では、直
流発電用系統連系装置１０，６０を用い、太陽電池５１
や燃料電池５２などの異種の直流発電装置から発生され
る直流電力を効率よく交流電力に変換し、系統連系させ
ることができる。直流発電装置としては、蓄電池や異種
の燃料電池同士の組合わせなどを用いることもできる。

【００２８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、複数の直
流発電装置のうち、少なくとも１つの直流発電装置から
の直流電力を、直流変換装置で出力電圧が調整可能な直
流電力に変換し、他の直流発電装置からの直流電力と直
列に接続して、商用交流電力と連系する交流電力に変換
する逆変換装置に入力する。直流変換装置は、直流電力
の逆変換装置への入力電圧が予め設定される値となるよ
うに、出力電圧を調整するので、直流変換装置を用いな
い直流発電装置から出力される直流電力の電圧が変動し
ても、変動の影響を緩和し、安定に交流電力に変換させ
ることができる。従来の系統連系方法では実現が不可能
であった異種の直流発電装置を直列に接続することが可
能となり、特に直流変換装置を用いない直流発電装置か
らの発電出力は、高い効率で交流電力に変換することが
できる。

【００２９】また本発明によれば、バイパス回路を設け
るので、直列に接続されて逆変換装置に入力される直流
電力が直流変換装置や直流発電装置の出力電流の最小定
格容量などに制限されることなく、複数の直流発電装置
を運転することが可能となる。

【００３０】さらに本発明によれば、燃料電池から出力
される直流電力を出力電圧が調整可能な直流変換装置で
直流電力に変換し、太陽電池から出力される直流電力と
直列に逆変換装置に入力し、商用交流電力と系統連系さ
せる。出力電圧の変動が小さい燃料電池の出力側に直流
変換装置を用いて、出力電圧の変動が大きい太陽電池か
らの出力電力と直列に接続し、逆変換装置への入力電圧
を予め定める電圧に調整することができる。太陽電池の
出力側には直流変換装置を用いないので、直流変換装置
を用いることによる効率低下を避け、全体として効率よ
く、商用交流電流との系統連系を行うことができる。特
に、自然エネルギである太陽電池の出力を制限すること
なく有効に利用し、燃料電池の運転も安定して行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態としての直流発電用系統
連系装置１０の基本的な電気的構成を示すブロック図で
ある。

【図２】図１の直流発電用系統連系装置１０の制御のた
めの構成を示すブロック図である。

【図３】図２の制御のための構成で行われる制御手順を
示すフローチャートである。

【図４】図１の直流発電用系統連系装置１０で直流電力
を商用交流電力と系統連系させる際の変換効率の計算例
を示す図である。

【図５】本発明の実施の他の形態としての直流発電用系
統連系装置６０の基本的な電気的構成を示すブロック図
である。

【図６】従来からの直流発電用系統連系装置の使用例を
示すブロック図である。

【符号の説明】

１０，６０ 直流発電用系統連系装置 １１，１２，…，１Ｎ 直流発電装置 ２０ 直流変換装置 ２１ 逆変換装置 ３０ バイパス回路 ３１，３２，…，３Ｎ ダイオード ４０ 演算・制御部 ４１ 設定手段 ４２ 遮断器 ４３，４５，４６ 電圧計測部 ４４，４７ 電流計測部 ５１ 太陽電池 ５２ 燃料電池

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の直流発電装置が発電する直流電力
   を、交流電力に変換させて商用交流電力と系統連系させ
   る直流発電用系統連系装置において、 少なくとも１つの直流発電装置からの直流電力を、出力
   電圧が調整可能な直流電力に変換する直流変換装置と、 該直流変換装置で出力を変換する直流発電装置を除く他
   の直流発電装置からの直流電力、および該直流変換装置
   からの直流電力が直列に接続されて入力され、商用交流
   電力と連系する交流電力に変換する逆変換装置とを含
   み、 該直流変換装置は、該逆変換装置に入力される直流電力
   の入力電圧が予め設定される値となるように、出力電圧
   を調整することを特徴とする直流発電用系統連系装置。
2. 【請求項２】 前記逆変換装置に直列に入力される直流
   変換装置および直流発電装置の出力には、他の出力から
   の直流電流をバイパスするバイパス回路が設けられるこ
   とを特徴とする請求項１記載の直流発電用系統連系装
   置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２のいずれかに記
   載の直流発電用系統連系装置を用い、 燃料電池から出力される直流電力を前記直流変換装置で
   出力電圧が調整可能な直流電力に変換し、 前記逆変換装置には、該直流変換装置からの出力電圧
   と、太陽電池からの出力電圧とを直列に接続して入力す
   ることを特徴とする直流発電用系統連系方法。