JP2009205288A - ハイブリッド系統連系システム - Google Patents

Abstract

【課題】 風力発電電力と太陽光発電電力の並列運転時においても、両者の最大電力点追従制御運転を常時実施でき、更に低コストで実現できるハイブリッド系統連系システムを提供する。
【解決手段】 太陽光発電電力を昇圧してリンク部に出力する第１コンバータ３と、風力発電電力を昇圧してバッテリ５に蓄電するための第２コンバータ４と、バッテリ５に蓄えられた電力を固定電力制御で昇圧してリンク部Ｒに出力するための第３コンバータ６と、リンク部Ｒの電圧が所定値になるように出力正弦波電流を調整して系統に電力を出力するインバータ７とを備え、風力発電電圧よりバッテリ５の電圧を高く設定して、第２コンバータ４により昇圧制御を実施し、第３コンバータ６を一次巻線１４ａと二次巻線１４ｂとからなる変圧器１４を備えた絶縁型コンバータとした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽光発電と風力発電を組み合わせた発電電力を商用電力系統等の他の電力系統に系統連系させるハイブリッド系統連系システムに関する。

従来より太陽光発電と風力発電とを組み合わせたハイブリッド系統連系システムがある。例えば特許文献１では、風力発電電力をバッテリに充電し、バッテリ電圧が所定値に達したら、太陽光発電電力と風力発電電力とバッテリ蓄電電力との合成電力をインバータの固定電力指令制御により系統に供給している。
しかしながら、この構成の場合、バッテリへの充電がまだ十分でなく太陽光発電電力単独で系統に供給される場合は最大電力点追従制御を実施できたが、バッテリが充電されて合成電力が供給されるようになると、太陽光発電電力の最大電力点追従運転ができず、太陽光発電の効率が低下していた。
一方で特許文献２に記載された技術がある。これは、太陽光発電用の系統連系インバータと風力発電用の系統連系インバータとを並列運転し、風力発電電力のバッテリへの充電は、交流で出力される風力発電機出力を整流して直接バッテリに充電している。このように構成することで、太陽光発電と風力発電の双方を並列運転させても太陽光発電電力は最大電力点追従運転が可能となっていた。

特開平１０−１７４３１２号公報 特開２０００−１１６００７号公報

しかし、上記特許文献２の技術は、風力発電電力をバッテリに蓄える際に、風力発電機出力（一般に三相交流電力）を整流器で整流し、整流した出力で直接バッテリに充電する技術が示されているが、この方式では出力電圧がバッテリで固定されるため、風力発電機の最大電力点での運転が行えず、風力発電電力を十分に利用するには至らなかった。
また、系統連系インバータを２台使用するし、風力発電電力を充電するバッテリと風力発電用系統連系インバータ間にバッテリ電力を太陽電池の出力特性に合わせるためコンバータが必要であるため、コスト高であったし装置の設置スペースも大きなものとなっていた。

そこで、本発明はこのような問題点に鑑み、風力発電電力と太陽光発電電力の並列運転時においても、両者の最大電力点追従制御運転を常時実施でき、更に低コストで実現できるハイブリッド系統連系システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決する為に、請求項１の発明は、太陽光発電電力を昇圧してリンク部に出力する第１コンバータと、風力発電電力をバッテリに蓄電するための第２コンバータと、前記バッテリに蓄えられた電力を固定電力制御で昇圧して前記リンク部に出力するための第３コンバータと、リンク部の電力を交流変換して系統に出力するインバータとを有し、前記インバータが前記リンク部電圧が所定値を保持するように出力正弦波電流を調整することを特徴とするハイブリッド系統連系システム。
この構成によれば、第１コンバータは太陽光発電電力を最大電力点追従制御しつつ昇圧してリンク部に出力させることができるし、第２コンバータは風力発電電力を最大電力点追従制御しつつバッテリに蓄電することができる。そして、双方の並列運転時においても両者を最大電力追従制御が継続して行うことができ、両発電電力を十分に利用することができる。
また、風力発電電力と太陽光発電電力が共通のインバータにより電力変換されるので、双方で独立したインバータを備える構成に比べてシステムを小形にできコストダウンを図ることができる。

請求項２の発明は請求項１に記載の発明において、前記バッテリ電圧を前記風力発電電圧より高く設定して、第２コンバータが昇圧チョッパによる昇圧制御を実施することを特徴とする。
この構成によれば、風力発電の最大電力点での電圧が常にバッテリ電圧以下であるため、強風時を除けば最大電力点追従制御を容易に実施できる。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、第３コンバータは、一次巻線と二次巻線とを有する変圧器を備えた絶縁型コンバータであることを特徴とする。
この発明によれば、商用電力系統と風力発電機が絶縁されるので、風力発電機が絶縁劣化しても系統側の漏電遮断器が作動することがなくなり、そのために負荷への電力供給が停止するようなことがない。

本発明によれば、第１コンバータは太陽光発電電力を最大電力点追従制御しつつ昇圧してリンク部に出力させることができるし、第２コンバータは風力発電電力を最大電力点追従制御しつつバッテリに蓄電することができる。そして、双方の並列運転時においても両者を最大電力追従制御が継続して行うことができ、両発電電力を十分に利用することができる。
また、風力発電電力と太陽光発電電力が共通のインバータにより電力変換されるので、双方で独立したインバータを備える構成に比べてシステムを小形にできコストダウンを図ることができる。

以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係るハイブリッド系統連系システムの一例を示す回路図であり、１は太陽光発電する太陽電池、２は風力発電機、３は太陽光発電電力を昇圧してリンク部Ｒに出力する第１コンバータ、４は風力発電電力をバッテリ５に蓄電するための第２コンバータ、６はバッテリ５に蓄えられた電力を固定電力制御で昇圧してリンク部Ｒに出力する第３コンバータ、７はリンク部Ｒの電圧が所定値になるように出力正弦波電流を調整して系統に電力を出力するインバータである。
尚、９は平滑用コンデンサ、１０は商用電源、１１は発電した電力を供給する負荷を示している。また、第１〜第３コンバータ、及びインバータは、それぞれＣＰＵを有した制御回路により各スイッチング素子がオン／オフ制御されるが、これら制御回路は省略してある。

第１コンバータ３は、スイッチング素子Ｑ１、コイルＬ１等を備えた昇圧チョッパで構成され、太陽電池の１００〜３５０Ｖ程度の発電電圧を３８０Ｖ程度の電圧に変換して、次段のインバータ７の系統連系に必要な電源電圧（リンク電圧）を供給するよう構成されている。そして、最大電力点追従制御により、太陽電池１の出力電力が最大となるように調整しながらリンク部Ｒに電流を出力する。

第２コンバータ４は、風力発電機２の発電電力をバッテリ５に充電するための充電装置であり、スイッチング素子Ｑ２、コイルＬ２等を備えた昇圧チョッパで構成されている。風力発電機２の出力電力が最大となるよう一次電流を制御して風力発電機の回転数を調整することで最大電力点追従制御を実施して、二次側に接続されたバッテリ５に充電する。

例えば、風力発電機２が２４Ｖバッテリ接続用である場合、バッテリ５は４８Ｖ充電のものが使用され、このような特性を示す風力発電機２を使用する場合、風力発電機２は例えば図２に示すような出力電力と回転数の関係を有している。この図２から、例えば風速９．７ｍ／ｓ以下では最大電力点の電圧が４８Ｖ以下となることがわかる。
そこで、風力発電機２が出力する電流（第２コンバータ４の一次電流）を制御することで風力発電機２の回転数を調整できるため、このように風速が弱い場合は一次電流を制御することで最大電力点追従制御が可能となる。一方、最大電力点の電圧が４８Ｖ以上となった場合は、スイッチング素子Ｑ２を連続オフしてバッテリ５の直結動作が行われる。

第３コンバータ６は、スイッチング素子Ｑ３の組から成るフルブリッジ回路で構成した入力部１３と、一次巻線１４ａと二次巻線１４ｂから成るトランス１４と、ダイオードブリッジ回路で構成した出力回路１５を備えたＤＣ−ＤＣコンバータで構成された絶縁型のコンバータで構成されている。そして、バッテリ５の充電電圧が所定値まで上昇した場合に、第１コンバータ３と並列運転して系統連系に必要な電圧（リンク電圧）を次段のインバータ７に供給するためにバッテリ電圧を昇圧する。バッテリ５は最大電力点がないため、固定電力制御により一定電流をリンク部Ｒに出力し、バッテリ電圧が所定値まで下降したら停止する。

インバータ７は、スイッチング素子Ｑ４の組から成るフルブリッジ回路とコイルＬ４及びコンデンサＣ４等で構成され、リンク部Ｒの直流電力を交流電力に変換して系統（商用電力系統）に正弦波電流を出力する電力変換装置であり、変換する際にリンク部Ｒの電圧を一定（例えば、３８０Ｖで一定）に保つ制御を実施している。具体的に、リンク部Ｒの電圧が下降した場合は上昇させるために出力電流を減少させ、リンク部Ｒの電圧が上昇した場合は下降させるために出力電流を増加させる制御を実施し、直流電力を交流電力に変換している。

このように、第１コンバータは太陽光発電電力を最大電力点追従制御しつ昇圧してリンク部に出力させることができるし、第２コンバータは風力発電電力を最大電力点追従制御しつつバッテリに蓄電することができる。そして、双方の並列運転時においても両者を最大電力追従制御が継続して行うことができ、両発電電力を十分に利用することができる。
また、風力発電電力と太陽光発電電力が共通のインバータにより電力変換されるので、双方で独立したインバータを備える構成に比べてシステムを小形にできコストダウンを図ることができる。
更に、風力発電電圧よりバッテリ電圧を高く設定して第２コンバータを昇圧コンバータで構成することで、強風時を除いて最大電力点追従制御を実現できるし、強風時のバッテリ直結動作においても、よほどの強風に成らない限り動作点は最大電力点の近傍にある。そのため、ほぼ全ての風力下において、風力エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換できる。
また、商用電力系統と風力発電機が絶縁されるので、風力発電機が絶縁劣化しても系統側の漏電遮断器が作動することがなくなり、そのために負荷への電力供給が停止するようなことがない。

尚、上記実施形態は、第３コンバータを絶縁型で構成しているが、第２コンバータのようにコイルとスイッチング素子の組で構成しても良い。

本発明に係るハイブリッド系統連系システムの実施形態の一例を示す回路図である。 風力発電機の出力特性の一例を示す出力電力−回転数特性図である。

符号の説明

１・・太陽電池、２・・風力発電機、３・・第１コンバータ、４・・第２コンバータ、５・・バッテリ、６・・第３コンバータ、７・・インバータ。

Claims (3)

1. 太陽光発電電力を昇圧してリンク部に出力する第１コンバータと、風力発電電力をバッテリに蓄電するための第２コンバータと、前記バッテリに蓄えられた電力を固定電力制御で昇圧して前記リンク部に出力するための第３コンバータと、リンク部の電力を交流変換して系統に出力するインバータとを有し、
   前記インバータが前記リンク部電圧が所定値を保持するように出力正弦波電流を調整することを特徴とするハイブリッド系統連系システム。
2. 前記バッテリ電圧を前記風力発電電圧より高く設定して、第２コンバータが昇圧チョッパによる昇圧制御を実施する請求項１記載のハイブリッド系統連系システム。
3. 第３コンバータは、一次巻線と二次巻線とを有する変圧器を備えた絶縁型コンバータである請求項１又は２記載のハイブリッド系統連系システム。

Images