JP2005328656A - 電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】分散型電源システムにおいて、系統連系のための複雑な手続きを必要とせず、負荷に安定的な電力を供給すること。
【解決手段】直流電力を出力する電源装置５と、商用電力系統１からの電力を直流に変換して出力するコンバータ２と、電源装置５およびコンバータ２から出力された直流電力を所定の周波数と電圧を持つ交流電力に変換して負荷７に供給するインバータ３とを備えた電源システムにおいて、所定の条件に基づいて負荷７に供給する電力の供給元を切り替える接続切替装置６と、インバータ３の出力電圧と位相とを商用電力系統１と同期するように制御する制御回路と、を備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は電源システムに関するものであり、特に、住宅などへの設置に好適な分散型の電源システムに関するものである。

従来のこの種の電源システムとしては、商用電力系統に並列に接続されて負荷に電力を供給する系統連系型システム（例えば、特許文献１、特許文献２、非特許文献１）や、発電装置の不足電力分を商用電力側から整流回路やコンバータ、インバータ装置等を介して供給する非連系型システム（例えば、特許文献３）などが提案されている。

特公昭６３−８７１５号公報 特開昭５９−１９８８７７号公報 特開平５−１０８１７６号公報 系統連系技術要件ガイドライン（資源エネルギー庁編）

上述の前者のタイプである系統連系型システムでは、必要に応じて商用電力系統から不足分の電力を補うことができるので、電源装置側の電力供給量の変動に影響されず、負荷に安定的に電力を供給することができるという長所がある。

しかしながら、系統連系を行う際は、系統連系技術要件ガイドラインや分散型電源系統連系技術指針に準拠した保護方式の採用が一般的であり、それ以外の方式による場合は、電力会社と個別に協議する必要があり、連系までに長期間を有する場合もある。

一方、上述の後者のタイプであり、例えば、整流回路やコンバータ、インバータ等を介して負荷に電力を供給するような非連系型システムにおいては、適用される技術基準が緩和されているとともに、系統連系のための手続きが不要という長所はあるものの、商用電力系統からの電力を一旦直流に変換し、再び交流に再変換して負荷に供給するので、電力変換ロスが大きいといった短所を有していた。

このような電力変換ロスを削減するために、例えば、供給電力量が少ない場合には、切り替え操作を行って商用電力系統に負荷をダイレクトに接続するようなシステム構成も検討されている。

しかしながら、このシステム構成では、切り替え操作時に瞬時的に停電状態が発生したり、供給電力の電圧、周波数あるいは位相の急変により、負荷に悪影響を与える可能性があった。したがって、これらの停電状態や、電圧／周波数／位相変動が許容されない負荷に対しては、このシステム構成を適用することができないといった問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、系統連系のための手続きを必要とせず、電源装置側の電力供給量の変動に影響されることなく負荷に安定的な電力を供給することができる電源システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明は、直流電力を出力する電源装置と、商用電力系統からの電力を直流に変換して出力するコンバータと、前記電源装置および前記コンバータから出力された直流電力を所定の周波数と電圧を持つ交流電力に変換して負荷に供給するインバータとを備えた電源システムにおいて、所定の条件に基づいて前記負荷に供給する電力の供給元を切り替える接続切替装置と、前記コンバータ、前記インバータおよび前記接続切替装置を制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記インバータの出力電圧と位相とを商用電力系統と同期するように制御することを特徴とする。

この発明によれば、所定の条件に基づいて負荷に供給する電力の供給元が接続切替装置によって切り替えられる際に、制御回路は、インバータの出力電圧と位相とを商用電力系統と同期するように制御する。

この発明によれば、商用電力系統側に系統連係保護や安全管理上の影響を与えることなく、多数台の電源システムの設置が可能になるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかる電源システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる電源システムの構成を示すブロック図である。同図において、破線部分内に示す部分が本発明にかかる電源システムの構成部である。同図に示す電源システムは、商用電力系統１からの交流を直流に変換するコンバータ２と、直流を所定の周波数と電圧を持つ交流に変換するインバータ３と、所定の制御を行う制御回路４と、直流電力を出力する電源装置５と、負荷７に供給する電力の供給元を切り替える接続切替装置６とを備えている。なお、電源装置５について、ここでは特定していないが、例えば、太陽電池、風力発電機、エンジン駆動発電機、燃料電池、およびナトリウム−硫黄電池などの電力貯蔵型電源などが想定される。

つぎに、図１に示す電源システムの動作に関し、以下に示す３つの動作条件に場合分けし、その動作について説明する。
（１） 電源装置５の出力が所定値以上になった場合（あるいは、所定値以上を維持している場合）
（２） 電源装置５の出力のみでは負荷７に必要な電力が賄えない状態になった場合
（３） 電源装置５からの出力が所定値以下になった場合

まず、電源装置５の出力が所定値以上になった場合、制御回路４からの制御信号にて接続切替装置６の接続がインバータ３の出力側に切り替えられる。なお、電源装置５の出力が所定値以上を維持している場合には、インバータ３の出力側に接続された接続切替装置６の接続が維持される。このとき、電源装置５からの出力電力は、インバータ３によって商用電力系統とほぼ同一周波数、同位相で、かつ同一電圧の交流電力に変換され、インバータ３の出力が接続切替装置６を介して負荷７に供給される。

一方、電源装置５の出力のみでは負荷７に必要な電力が賄えない状態になった場合、インバータ３の出力側に接続された接続切替装置６の接続は維持されるが、制御回路４からの制御信号にて制御されたコンバータ２が動作して商用電力系統１の交流電力が直流電力に変換され、電源装置５の出力に加えてコンバータ２の出力がインバータ３に供給され、負荷７に必要な電力がインバータ３から供給される。

他方、電源装置５からの出力電力が所定値以下になった場合、制御回路４からの制御信号にて接続切替装置６の接続が商用電力系統１の出力側に切り替えられ、商用電力系統１の出力が接続切替装置６を介して負荷７に直接供給される。

切り替えを行う電源装置５からの出力電力の所定値の設定については、電源装置５の基準出力（例えば、５０Ｗ、あるいは１００Ｗという固定値）に設定するような手法を用いることができる。また、他の手法として、例えば、商用電力系統１から供給される電力が一旦直流に変換された後、再度交流電力に変換されて負荷に供給するときに発生する電力ロスに相当する相当値に設定するという手法なども用いることができる。

電源装置５が燃料電池のような化学エネルギーを利用する発電システムであれば、前者の手法を用いることができる。具体的には、一定値以上の発電効率が得られる発電電力量を所定値として設定すればよい。

一方、電源装置５が太陽光発電や風力発電、あるいは地熱発電など自然エネルギーを利用する発電システムにあっては、後者の手法を適用することで、トータルとしてエネルギー利用効率の良い電源システムを提供することができる。

以上説明したように、この実施の形態の電源システムによれば、電源装置５から供給される電力量と負荷７が要求する電力量に応じて、
（１） 電源装置５からの電力がインバータ３を介して負荷７に供給され、
（２） 電源装置５の電力に加えて、商用電力系統１からの電力がコンバータ２およびインバータ３を介して負荷７に供給され、あるいは、コンバータ２およびインバータ３を介した商用電力系統１からの電力に加えて、電源装置５の電力が負荷７に供給され、
（３） 商用電力系統１からの電力が直接負荷７に供給され、
るような、これらの３つの電力供給態様が適宜選択されるので、エネルギー利用効率が高い電源システムを構成することができる。

また、この実施の形態の電源システムでは、接続切替装置６が動作する際に、インバータ３の出力周波数、位相、および電圧が商用電力系統１とほぼ同じ状態になっているように制御されるので、電力供給源の切り替え操作を行うときにも負荷７に供給される交流電力の周波数や位相が急激に変化することがなく、負荷７への悪影響を防止することができる。

なお、この実施の形態では、インバータ３の出力は常に商用電力系統１とほぼ同一周波数、同位相で、かつ同一電圧となるように制御することを想定していたが、接続切替装置６を切り替えるタイミングの前後の時間だけ、インバータ３の出力を商用電力系統１とほぼ同一周波数、同位相で、かつ同一電圧となるように制御するようにしてもよく、この場合であっても同様の効果が得られる。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２にかかる電源システムの構成を示すブロック図である。同図において、実施の形態１との差異は、接続切替装置の構成が異なる点にある。なお、その他の構成は図１に示す実施の形態１の各構成部と同一、あるいは同等であり、これらの構成部には同一符号を付して示している。

図２において、この実施の形態の接続切替装置６ａは、インバータ３と負荷７との接続と、商用電力系統１と負荷７との接続をそれぞれ個別に制御できる構成となっている。

電源装置５からの出力電力が所定値を維持できなくなり、インバータ３と負荷７との接続から、商用電力系統１と負荷７との接続へ切り替えを行う場合、インバータ３の出力は商用電力系統１の出力より若干低めの電圧値に設定され、かつ商用電力系統１とほぼ同一周波数で同一位相の出力状態に制御される。この状態で、まず商用電力系統１と負荷７とが接続され、その後、インバータ３と負荷７との接続が切り離される。

また、電源装置５からの出力電力が所定値以上得られる状態になり、商用電力系統１と負荷７との接続がコンバータ２と負荷７との接続に切り替えられる場合においても、インバータ３の出力は商用電力系統１の出力より若干低めの電圧値に設定され、かつ商用電力系統１とほぼ同一周波数で同一位相の出力状態に制御される。この状態で、コンバータ２と負荷７とが接続されてから商用電力系統１と負荷７との接続が切り離される。商用電力系統１と負荷７とが切り離された後には、インバータ３の出力電圧値は負荷の動作に最適な所定値まで上昇する。

上述のように制御することで、電力供給源を選択的に切り替えることができ、また、電力供給源の切り替え操作時においても瞬時停電状態を発生させることがなく、インバータから商用電力系統への逆潮流を防止することもできる。

以上説明したように、この実施の形態の電源システムによれば、負荷への電力供給を接続切替装置によってインバータから商用電力系統に、あるいは商用電力系統からインバータに切り替える際に、インバータの出力が商用電力系統の出力より若干低めの電圧値に設定されるとともに、商用電力系統またはインバータのいずれか一方が負荷に電力を供給しつづけるように接続切替装置の切り替え制御が行われるので、実施の形態１の効果に加え、インバータから商用電力系統への逆潮流を防止することができる。

実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３にかかる電源システムの構成を示すブロック図である。同図に示す電源システムは、実施の形態１に示す電源装置５として、例えば、太陽電池９と、太陽電池９から常に最大の電力を取り出すための最大電力点追従制御機能を備えたＤＣ／ＤＣコンバータ８とを備えるように構成している。なお、その他の構成は図１に示す実施の形態１の各構成部と同一、あるいは同等であり、これらの構成部には同一符号を付して示している。

つぎに、図３に示す電源システムの動作に関し、以下に示す３つの動作条件に場合分けし、その動作について説明する。
（１） ＤＣ／ＤＣコンバータ８の出力が所定値以上になった場合、あるいは、所定値以上を維持している場合
（２） 日射量の減少あるいは負荷の増加により、ＤＣ／ＤＣコンバータ８が太陽電池９の最大電力点追従制御を行っても、太陽電池９からの電力だけでは負荷７に必要な電力が賄えない状態になった場合
（３） 日射量の減少等により、太陽電池の最大電力点追従制御を行ってもＤＣ／ＤＣコンバータ８の出力が所定値以下になってしまった場合

まず、上記（１）のようにＤＣ／ＤＣコンバータ８の出力が所定値以上になった場合、制御回路４の制御信号にて接続切替装置６の接続がインバータ３の出力側に切り替えられる。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の出力が所定値以上を維持している場合には、インバータ３の出力側に接続された接続切替装置６の接続が維持される。このとき、太陽電池９の出力電力はＤＣ／ＤＣコンバータ８を介してインバータ３に供給される。この出力電力は、インバータ３によって所定の周波数と電圧を持つ交流電力に変換され、接続切替装置６を介して負荷７に供給される。

一方、上記（２）のように太陽電池９からの電力だけでは負荷７に必要な電力が賄えない状態になった場合、インバータ３の出力側に接続された接続切替装置６の接続は維持されるが、制御回路４からの制御信号にて制御されたコンバータ２が動作して商用電力系統１の交流電力が直流電力に変換され、太陽電池９からの出力に加えてコンバータ２の出力がインバータ３に供給され、インバータ３から負荷７に対して必要な電力が供給される。

他方、上記（３）のようにＤＣ／ＤＣコンバータ８の出力が所定値以下になった場合、制御回路４からの制御信号にて接続切替装置６の接続が商用電力系統１の出力側に切り替えられ、商用電力系統１の出力が接続切替装置６を介して負荷７に直接供給される。

インバータ３の出力の周波数、位相および電圧は商用電力系統１とほぼ同一なので、接続切替装置６が動作する際においても、負荷に印加される交流電力の状態が変化することなく、負荷に悪影響を与えることなく電力供給源の切り替えを行うことができる。また、太陽電池９とインバータ３の間には、太陽電池９から最大電力を取り出すことのできる最大電力点追従制御機能を備えたＤＣ／ＤＣコンバータ８を備えているので、太陽電池９の利用率が高く、利用効率の高い電源システムを提供できる。

以上説明したように、この実施の形態の電源システムによれば、電源装置が、太陽電池などの発電装置の最大出力を追従制御する機能を持つＤＣ／ＤＣコンバータを備えるように構成されるので、利用率が高く、利用効率の高い電源システムを提供できる。

なお、この実施の形態では、太陽電池９およびＤＣ／ＤＣコンバータ８を備えた電源装置５の構成を実施の形態１に適用するようにしているが、実施の形態２に適用することもでき、この場合であっても、上述した効果と同様な効果を得ることができる。

また、この実施の形態では、電源装置５として、太陽電池９を例示したが、太陽電池以外にも、水力発電システムや、風力発電システムなどの自然エネルギーを利用する発電システムなど備えるように構成してもよい。

実施の形態４．
図４は、本発明の実施の形態４にかかる電源システムの構成を示すブロック図である。同図に示す電源システムは、実施の形態１の構成において、コンバータ２とインバータ３の間にバッテリーまたはキャパシタなどの蓄電装置１０を備えるように構成している。なお、その他の構成は図１に示す実施の形態１の各構成部と同一、あるいは同等であり、これらの構成部には同一符号を付して示している。

つぎに、図４に示す電源システムの動作に関し、以下に示す４つの動作条件に場合分けし、その動作について説明する。
（１） 電源装置５からの所定値以上の出力があり、かつ、電源装置５で発生する電力に比して負荷７での消費電力が少ない場合
（２） 電源装置５からの所定値以上の出力があり、かつ、電源装置５で発生する電力に比して負荷７での消費電力が大きい場合
（３） 電源装置５で発生する電力が減少し、あるいは負荷７での消費電力の増加により、蓄電装置１０に蓄えた電力を使っても負荷での消費電力が賄えなくなった場合
（４） 蓄電装置１０に蓄えられた電力がほとんど消費され、電源装置５からの出力電力が所定値以下になった場合

まず、上記（１）の場合には、制御回路４の制御信号にて接続切替装置６の接続がインバータ３の出力側に切り替えられ、あるいはインバータ３の出力側に接続された接続切替装置６の接続が維持される。このとき、電源装置５の出力電力はインバータ３に供給され、インバータ３によって所定の周波数と電圧を持つ交流電力に変換され、接続切替装置６を介して負荷７に供給される。なお、電源装置５で発生する電力と負荷７での消費電力との差分である余剰電力は、蓄電装置１０に蓄えられる。

また、上記（２）の場合には、蓄電装置１０に蓄えられた電力がインバータ３を介して負荷７に供給される点を除いて、上記（１）の場合と同様な動作となる。

さらに、上記（３）の場合では、インバータ３の出力側に接続された接続切替装置６の接続は維持されるが、制御回路４からの制御信号にて制御されたコンバータ２が動作して商用電力系統１の交流電力が直流電力に変換され、電源装置５および蓄電装置１０からの出力に加えてコンバータ２の出力がインバータ３に供給され、インバータ３から負荷７に対して必要な電力が供給される。

また、上記（４）の場合には、制御回路４からの制御信号にて接続切替装置６の接続が商用電力系統１の出力側に切り替えられ、商用電力系統１の出力が接続切替装置６を介して負荷７に直接供給される。

上述のように制御することで、電力供給源を選択的に切り替えることができ、また、電力供給源の切り替え操作時においても、負荷に印加される交流電力の状態が急激に変化することを防止することができる。

以上説明したように、この実施の形態の電源システムによれば、負荷に電力を供給するインバータの出力を安定化させるための蓄電装置をさらに備えるように構成しているので、電力供給源を選択的に切り替えることができるとともに、負荷に印加される交流電力急激な変化を防止することができる。

なお、この実施の形態では、図１に示す実施の形態１の構成に蓄電装置１０を付加するようにしているが、実施の形態２、３の構成にも適用することができ、これらのように構成された場合であっても、上述した効果と同様な効果を得ることができる。

実施の形態５．
図５は、本発明の実施の形態５にかかる電源システムの構成を示すブロック図である。同図において、実施の形態１との差異は、制御回路４に外部出力端子を設けた点にある。なお、その他の構成は図１に示す実施の形態１の各構成部と同一、あるいは同等であり、これらの構成部には同一符号を付して示している。

図５において、制御回路４は電源装置５の出力をモニタしてその能力を示す信号を外部出力端子を通じて出力する。例えば、電源装置５が、負荷７の消費電力を賄ったとしても、まだその能力に余剰がある場合には、外部出力端子に出力された信号により表示装置等を通じて、電源システムの能力に余力があることを外部に通知することができる。

以上のように制御することで、電力供給源を選択的に切り替えることができ、利用効率の高い電源システムが構成できるとともに、使用者に対して電源システムの電力供給能力の余剰度や、負荷の選択や追加にかかる有用な情報を提供することができるなど、ユーザフレンドリーな電源システムを提供できる。

以上説明したように、この実施の形態の電源システムによれば、電源装置５の出力をモニタしてその能力を示す信号を出力するようにしているので、ユーザフレンドリーな電源システムを提供することができる。

なお、この実施の形態では、実施の形態１に示す制御回路４に外部出力端子を設けるようにしているが、実施の形態２〜４の構成にも適用することができ、これらのように構成された場合であっても、上述した効果と同様な効果を得ることができる。

以上のように、本発明にかかる電源システムは、複数の電源装置を分散配置した分散型電源システムに有用であり、特に、住宅などに設置する小容量の分散型電源システムに好適である。

本発明の実施の形態１にかかる電源システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２にかかる電源システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３にかかる電源システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態４にかかる電源システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態５にかかる電源システムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 商用電力系統
２ コンバータ
３ インバータ
４ 制御回路
５ 電源装置
６，６ａ 接続切替装置
７ 負荷
８ ＤＣ／ＤＣコンバータ
９ 太陽電池
１０ 蓄電装置

Claims (12)

1. 直流電力を出力する電源装置と、商用電力系統からの電力を直流に変換して出力するコンバータと、前記電源装置および前記コンバータから出力された直流電力を所定の周波数と電圧を持つ交流電力に変換して負荷に供給するインバータとを備えた電源システムにおいて、
   所定の条件に基づいて前記負荷に供給する電力の供給元を切り替える接続切替装置と、
   前記コンバータ、前記インバータおよび前記接続切替装置を制御する制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、前記インバータの出力電圧と位相とを商用電力系統と同期するように制御することを特徴とする電源システム。
2. 前記所定の条件の一つとして、前記電源装置からの出力が所定値以上の場合あるいは所定値以上になった場合に、前記接続切替装置を前記インバータに接続することを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
3. 前記所定の条件の一つとして、前記電源装置からの出力のみでは前記負荷に必要な電力が賄えない場合に、該電源装置の出力に加えて前記コンバータの出力を前記インバータに供給することを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
4. 前記所定の条件の一つとして、前記電源装置からの出力が所定値以下の場合に、前記接続切替装置を前記商用電力系統に接続することを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
5. 前記所定値が前記電源装置の基準出力に設定されることを特徴とする請求項１、２または４に記載の電源システム。
6. 前記電源装置は、化学エネルギーを利用する発電装置であることを特徴とする請求項５に記載の電源システム。
7. 前記所定値が前記商用電力系統の出力が前記負荷に供給される際に発生する電力ロス相当値に設定されることを特徴とする請求項１、２または４に記載の電源システム。
8. 前記電源装置は、自然エネルギーを利用する発電装置であることを特徴とする請求項７に記載の電源システム。
9. 前記負荷への電力供給を前記接続切替装置によって前記インバータから前記商用電力系統に、あるいは該商用電力系統から該インバータに切り替える際に、
   前記制御回路は、前記インバータの出力を前記商用電力系統の出力より若干低めの電圧値に設定するとともに、該商用電力系統または該インバータのいずれか一方が該負荷に電力を供給しつづけるように前記接続切替装置の切り替え制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
10. 前記電源装置は、
    自然エネルギーを利用する発電装置と、
    最大出力追従制御機能を持つＤＣ／ＤＣコンバータと、
    を備えることを特徴とする請求項１または９に記載の電源システム。
11. 前記負荷に電力を供給する前記インバータの出力を安定化させるための蓄電装置をさらに備えることを特徴とする請求項１、９または１０に記載の電源システム。
12. 前記制御回路は、電源装置５の出力をモニタしてその能力を示す信号を出力することを特徴とする請求項１、９〜１１のいずれか一つに記載の電源システム。
    
    
    

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