JP2011120452A - パワーコンディショナ - Google Patents

Abstract

【課題】分散型電源においてその出力における各種形態の逆潮流不可とされた場合、例えば燃料電池等の分散型電源に関わる出力電力が商用電源側に逆潮流されないように制御する。
【解決手段】例えば太陽電池１用のＤＣ／ＤＣコンバータ３ｃと、例えば燃料電池２用のＤＣ／ＤＣコンバータ３ｄと、両ＤＣ／ＤＣコンバータそれぞれの出力をＤＣ／ＡＣ変換するインバータ３ｇと、これらの動作を制御する制御装置３ｈと、を備え、制御装置３ｈは、負荷消費電力をＰＬ、ＤＣ／ＤＣコンバータ３ｄの出力電力をＰｏｕｔ２として、Ｐｏｕｔ２≦ＰＬの関係式を維持するように電力Ｐｏｕｔ２を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種発電装置や、各種電力貯蔵装置、その他の直流電力を出力することができる分散型電源からの直流電力を交流電力に変換すると共に、その変換した交流電力を商用電源と連系して負荷に供給するパワーコンディショナに関するものであり、特には上記各種分散型電源に関わる直流電力のうち商用電源側に逆潮流不可とされた電力が商用電源に逆潮流しないように出力制御することに関するものである。

上記各種分散型電源のうち,例えば太陽光を利用した太陽電池を分散型電源としこの太陽電池の直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する分散型電源システムでは、一般に、パワーコンディショナにより、太陽電池の直流電力を交流電力に変換し、その変換交流電力を家庭内の各電化製品（家庭内負荷）に供給するに際して、その供給電力が家庭内負荷の消費電力を下回る場合には、商用電源から不足電力を順潮流して電力会社から買電する一方、パワーコンディショナの出力電力が家庭内負荷の消費電力を上回る場合には、その余剰電力を商用電源に逆潮流して電力会社に売電することもできるようになっている（特許文献１）。

このような場合において、太陽電池は、昼間で晴れの日に発電するが、夜や雨の日には発電することができないので商用電源から買電することになる一方で、商用電源の使用量を減らして電気代をさらに節約するためには、太陽電池に加えて電力使用量が商用電源の電力使用量よりも安価に済む分散型電源システム例えばその１つの例として燃料電池を併用するシステムが考えられる（特許文献２）。

しかしながら、太陽電池と燃料電池とを併用する分散型電源システムにおいては、燃料電池による変換交流電力を商用電源側に逆潮流することができない。そして、このように商用電源側に逆潮流することできない分散型電源は燃料電池に限らない。すなわち、燃料電池等は風力発電装置等を含め、自ら直流電力を発電する発電装置であるが、このような発電装置等の分散型電源だけではなく、キャパシタや蓄電池等の直流電力を貯蔵できる電力貯蔵装置を分散型電源として分散型電源システムに用いた場合においても、商用電源側に逆潮流できない場合もある。

特開２００５−１０２４３２号公報 特開２００６−２９６０９７号公報

そして、本発明においては、直流電力を出力する分散型電源からの直流電力をＤＣ／ＤＣ変換し、ＤＣ／ＡＣ変換して変換交流出力として出力するに際して、当該交流電力が逆潮流不可の場合に商用電源側に逆潮流されないように制御可能とすることを解決すべき課題としている。

本発明によるパワーコンディショナは、分散型電源から出力される直流電力をＤＣ／ＤＣ変換し次いでＤＣ／ＡＣ変換して出力するものであって、家庭内負荷消費電力をＰＬ、逆潮流不可とされた分散型電源に関わる上記出力をＰｏｕｔ２として当該出力Ｐｏｕｔ２が商用電源に逆潮流されないように、出力Ｐｏｕｔ２≦家庭内負荷消費電力ＰＬの関係式を維持する制御を行うことを特徴とするものである。

好ましくは、上記分散型電源は、電池を含め直流電力を発生することができる発電機能を有すると共に発電した直流電力を出力できる装置である。

好ましくは,上記分散型電源は、キャパシタや蓄電池等を含め直流電力の貯蔵機能を有すると共に貯蔵した直流電力を出力できる装置である。

このように上記分散型電源は、燃料電池等や風力発電装置等を含め、自ら直流電力を発電する電池等やその他の発電装置だけではなく、キャパシタや蓄電池等の直流電力を貯蔵し、その貯蔵した電力を出力することができる電力貯蔵装置,その他の電力を出力することができる装置であればすべて含むことができる。

また、好ましくは、太陽電池と蓄電池とを有するパワーコンディショナにおいては、太陽電池から出力される直流電力をＤＣ／ＤＣ変換するＤＣ／ＤＣコンバータは内部に絶縁トランスを用いる絶縁型とし、蓄電池から出力される直流電力をＤＣ／ＤＣ変換するＤＣ／ＤＣコンバータは内部に絶縁トランスを用いない非絶縁型とすることができる。

また、好ましくは、太陽電池と燃料電池と蓄電池とを有するパワーコンディショナにおいては、太陽電池と燃料電池から出力される直流電力をＤＣ／ＤＣ変換するＤＣ／ＤＣコンバータは絶縁型とし、蓄電池から出力される直流電力をＤＣ／ＤＣ変換するＤＣ／ＤＣコンバータは非絶縁型とすることができる。

本発明によれば、分散型電源システムにおいて、分散型電源の出力が逆潮流不可とされた場合、その分散型電源の出力に関わる電力が商用電源側に逆潮流されないように制御することができる。

図１は本発明の実施の形態にかかる分散型電源システムを示す図である。 図２（ａ）は図１の太陽電池出力をＤＣ／ＤＣ変換するＤＣ／ＤＣコンバータの内部ブロックを示す図、図２（ｂ）は図１の燃料電池出力をＤＣ／ＤＣ変換するＤＣ／ＤＣコンバータの内部ブロックを示す図である。 図３は図１のシステムが備える制御装置の内部ブロックを示す図である。 図４は本発明の他の実施の形態にかかる分散型電源システムを示す図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係るパワーコンディショナおよびこれを用いた分散型電源システムを説明する。図１に、実施の形態にかかる分散型電源システムの構成を示す。図１において符号１は逆潮流可の発電要素の一例である太陽電池（太陽電池発電要素ないし装置）、２は逆潮流不可の発電要素の一例である燃料電池（燃料電池発電要素ないし装置）、３はパワーコンディショナ、４は配電設備、５は家庭内負荷、６は売電メータ、７は買電メータ、８は商用電源、９は電力計測器を示す。

太陽電池１は、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換して、パワーコンディショナ３に直流電力を供給する。

燃料電池２は、燃料を使用する発電装置であり、例えば、水素と酸素を反応させて直流の電気エネルギーを生成し、パワーコンディショナ３に直流電力を供給する。

パワーコンディショナ３は、太陽電池１および燃料電池２からの直流電力を商用周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の交流電力に変換し、家庭内負荷５や商用電源８に供給する。

配電設備４は、一般家庭等に配電するための設備である。

家庭内負荷５は、配電設備４に接続される各種電気機器等の負荷である。

家庭内負荷５は、燃料電池２が発電する電力が逆潮流しないために貯湯槽内に設ける逆潮流防止ヒータや燃料電池を作動させるための補助動力を含む。

売電メータ６は、商用電源８側に電力を売電するときの電力量を計測するメータである。

買電メータ７は、商用電源８側から電力を買電するときの電力量を計測するメータである。

電力計測器９は、家庭内負荷５の電力消費量を計測する。

以上の分散型電源システムにおいて、パワーコンディショナ３により、分散型電源である太陽電池１や燃料電池２の直流電力を交流電力に変換し、その変換交流電力を家庭内負荷５に供給すると共に、この供給電力が家庭内負荷５の消費電力を下回る場合には、商用電源８から不足電力を順潮流して電力会社から買電する一方、パワーコンディショナ３の出力電力が、家庭内負荷５の消費電力を上回る場合には、その余剰電力を商用電源８に逆潮流して電力会社に売電する。そのときの買電電力量は買電メータ７により計測され、売電電力量は売電メータ６により計測される。

このような分散型電源システムにおいて、パワーコンディショナ３は、内部に、太陽電池１の直流出力の電圧、電流、および必要に応じて電力を計測する計測器３ａ、燃料電池２の直流出力の電圧、電流、および必要に応じて電力を計測する計測器３ｂ、太陽電池１の直流出力をＤＣ／ＤＣ変換するＤＣ／ＤＣコンバータ３ｃと、燃料電池２の直流出力をＤＣ／ＤＣ変換するＤＣ／ＤＣコンバータ３ｄ、ＤＣ／ＤＣコンバータ３ｃの直流出力の電圧計測器３ｅ、ＤＣ／ＤＣコンバータ３ｄの直流出力の電力計測器３ｆ、ＤＣ／ＤＣコンバータ３ｃ，３ｄそれぞれの出力をＤＣ／ＡＣ変換するＤＣ／ＡＣインバータ３ｇと、ＤＣ／ＡＣインバータ３ｇの交流出力の電力計測器３ｐと、これらの動作を制御する制御装置３ｈと、を含む。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３ｃ，３ｄは、図２（ａ）（ｂ）で示すように、直流入力を交流に変換するようスイッチング動作するスイッチング回路３ｃ１，３ｄ１と、スイッチング回路３ｃ１，３ｄ１出力を昇圧または降圧するトランス３ｃ２，３ｄ２と、トランス３ｃ２，３ｄ２の二次側出力を直流に変換する直流化回路３ｃ３，３ｄ３、これらのＤＣ／ＤＣ変換動作を制御する制御部３ｃ４，３ｄ４と、を含む装置である。スイッチング回路３ｃ１，３ｄ１は、ＭＯＳトランジスタ等のスイッチングトランジスタの構成により、例えば、いわゆる１石インバータ方式、フライバック方式、センタタップ方式、ハーフブリッジ方式、フルブリッジ方式等がある。なお、上記ＤＣ／ＤＣコンバータ３ｃ，３ｄはトランス３ｃ２，３ｄ２を用いるが、本実施の形態ではこのトランスを用いたＤＣ／ＤＣコンバータに限定されるものではなんらなく、トランスレスタイプのＤＣ／ＤＣコンバータも本発明に含むものである。

ＤＣ／ＡＣインバータ３ｇは例えば４個のスイッチング素子をブリッジ接続し、ＰＷＭ駆動により、ＤＣ／ＤＣコンバータ３ｃ，３ｄからの直流電力を商用電源８と同期のとれた正弦波状の交流電力に変換して商用電源８に供給する。もちろん本発明はこのタイプのＤＣ／ＡＣインバータに限定されるものではなんらない。

太陽電池１や燃料電池２の出力電圧は一般に低いので、ＤＣ／ＤＣコンバータ３ｃ，３ｄにより商用電源８の交流電圧を形成するのに十分な程度の電圧に昇圧し、この昇圧した直流電圧を、ＤＣ／ＡＣインバータ３ｇに供給する。この場合、太陽電池１や燃料電池２の出力電圧が高い場合には必要に応じて降圧される。ＤＣ／ＡＣインバータ３ｇは、各ＤＣ／ＤＣコンバータ３ｃ，３ｄの出力部が並列に接続され、これらＤＣ／ＤＣコンバータ３ｃ，３ｄそれぞれの出力電圧を商用周波数の交流電圧に変換し、交流電流を流す。

太陽電池１は、その出力電圧が日射量や温度によって異なる一方、燃料電池２は、その出力電圧が発電電流の増加に伴い低下する。太陽電池１と燃料電池２の出力は、パワーコンディショナ３の各ＤＣ／ＤＣコンバータ３ｃ，３ｄにより昇圧または降圧される。燃料電池２は一般には燃料供給が絶たれない限り連続して定格運転が可能であるが、太陽電池１は一般には昼間運転に限定される。

パワーコンディショナ３の制御装置３ｈは、マイクロコンピュータからなり、図３で示す機能ブロックが行う制御を行うことができる。すなわち、制御装置３ｈは、メモリ３ｈ１、ＣＰＵ３ｈ２、を概略含む。メモリ３ｈ１には制御装置３ｈの動作制御のプログラムが格納されており、また、データ処理作業エリア、データ記憶エリア等を有する。ＣＰＵ３ｈ２は、メモリ３ｈ１に格納するプログラムに従い、以下の制御を行う。すなわち、制御装置３ｈにおけるＣＰＵ３ｈ２は、太陽電池１における計測器３ａの計測値である太陽電池１の直流出力の電圧、電流および必要に応じて電力を入力し、これらの計測値から太陽電池１の最大出力点で動作できるようにＤＣ／ＤＣコンバータ３ｃに制御指令Ｓ１を出力制御し、また、燃料電池２における計測器３ａの計測値である燃料電池２の直流出力の電圧、電流および必要に応じて電力を入力し、これらの計測値と燃料電池２の出力電流指令あるいは出力電力指令に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ３ｄに制御指令Ｓ２を出力制御する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３ｃ、３ｄでは、制御装置３ｈのＣＰＵ３ｈ２からの制御指令Ｓ１，Ｓ２に応答して図２（ａ）（ｂ）に示す内部のスイッチング回路３ｃ１，３ｄ１をＰＷＭ信号Ｓ３，Ｓ４で制御する。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３ｃ，３ｄを含むパワーコンディショナ３は、電力計測器３ｆで計測される燃料電池２の出力Ｐｏｕｔ２が、電力計測器９で計測される家庭内負荷５の消費電力ＰＬより小さいときは、燃料電池２はその許容出力範囲で動作させる。太陽電池１の出力と燃料電池２の出力とから決まるＤＣ／ＡＣインバータ３ｇの出力を計測する電力計測器３ｐの計測値Ｐｏｕｔ３が、家庭内負荷５の消費電力ＰＬより大きい場合は、その余剰電力を売電し、不足する場合は買電する。

上記の制御指令Ｓ２は、電力計測器９から家庭内負荷５での消費電力の計測値ＰＬを入力し、この計測値ＰＬから燃料電池２出力の電力が商用電源８に逆潮流されないようＤＣ／ＤＣコンバータ３ｄの動作を制御するための制御指令でもある。

ＤＣ／ＡＣインバータ３ｇは、電圧計測器３ｅで計測されるＤＣ／ＡＣインバータ３ｇの直流電圧が所望値になるようにＤＣ／ＡＣインバータ３ｇの交流出力電流を制御する。この制御によって、ＤＣ／ＡＣインバータ３ｇの出力電力Ｐｏｕｔが制御される。出力電力Ｐｏｕｔは電力計測器３ｐで計測される。

すなわち、制御装置３ｈのＣＰＵ３ｈ２は、家庭内負荷５における消費交流電力（電力計測器９の計測値）ＰＬ、ＤＣ／ＤＣコンバータ３ｄの出力をＰｏｕｔ２として、Ｐｏｕｔ２≦ＰＬの関係式を維持するようにＤＣ／ＤＣコンバータ３ｄの出力電力Ｐｏｕｔ２を制御する。この場合の上記関係式のデータ、また、この制御に必要な演算のプログラム等はメモリ３ｈ１に格納されている。ＣＰＵ３ｈ２は、このメモリ３ｈ１のデータを参照して、格納プログラムに従い制御指令を生成して出力する。ＣＰＵ３ｈ２は、電力計測器９により計測した計測値を家庭内負荷５での消費電力ＰＬとして入力し、また、電力計測器３ｆによる計測値を燃料電池２の出力電力Ｐｏｕｔ２として入力し、これら入力電力ＰＬ，Ｐｏｕｔ２からＰｏｕｔ２≦ＰＬの関係式が満足されるようにＤＣ／ＤＣコンバータ３ｄの制御部３ｄ４に制御指令Ｓ２を出力する。この場合、ＣＰＵ３ｈ２は、消費交流電力ＰＬとＤＣ／ＤＣコンバータ３ｄの出力をＰｏｕｔ２との差分ＰＬ−Ｐｏｕｔ２が０またはプラスとなるようにＤＣ／ＤＣコンバータ３ｄに制御指令Ｓ２を入力する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３ｄの制御部３ｄ４は、上記制御指令Ｓ２に応答してスイッチング回路３ｄ１にＰＷＭ信号Ｓ４を印加することで当該回路３ｄ１のスイッチング動作を制御する。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３ｄの直流出力Ｐｏｕｔ２をＤＣ／ＡＣインバータ３ｇで交流出力に変換した場合の交流出力は、余剰電力として商用電源８に供給されるのではなく、家庭内負荷５の消費に使用される。これにより燃料電池２の発電電力が商用電源８に逆潮流されることが防止される。ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ３ｄのスイッチング回路３ｄ１は例えば複数個のＭＯＳトランジスタがフルブリッジ回路、等に接続されて構成され、それぞれのトランジスタのゲートに制御部３ｄ４から上記ＰＷＭ信号Ｓ４が印加され、これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３ｄの出力Ｐｏｕｔ２は、Ｐｏｕｔ２≦ＰＬの関係式を満足するように制御される。

以上、実施の形態の分散型電源システムでは、逆潮流可の分散型電源は太陽電池１、また、逆潮流不可の分散型電源は燃料電池２であったが、本発明では、それら逆潮流可の分散型電源は太陽電池１に限らないし、また、逆潮流不可の分散型電源は燃料電池２に限定されるものでない。

すなわち、図４において、１ａは太陽電池等のように商用電源８側に逆潮流することができる第１分散型電源、２ａは燃料電池等のように商用電源８側に逆潮流することができない第２分散型電源を示す。この第２分散型電源２ａとしては、燃料電池以外の電池に限らないし、また、風力発電装置等の発電装置も含むと共に、発電しないが、キャパシタや蓄電池等の直流電力を貯蔵し、その貯蔵した電力を出力することができる電力貯蔵装置、その他の電力を出力することができる装置であればすべて含む。

図４では第１分散型電源と第２分散型電源とが示してあるが、上記の説明から判るように第３分散型電源や第４分散型電源を加えることができることは明らかである。

また、図４において第１分散型電源１ａに太陽電池、第２分散型電源２ａに蓄電池を有するパワーコンディショナとした場合、太陽電池から出力される直流電力をＤＣ／ＤＣ変換するＤＣ／ＤＣコンバータは内部に絶縁トランスを用いる絶縁型とし、蓄電池から出力される直流電力をＤＣ／ＤＣ変換するＤＣ／ＤＣコンバータは内部に絶縁トランスを用いない非絶縁型とすることができる。

同様に、図４において第１分散型電源１ａに太陽電池、第２分散型電源２ａに燃料電池と蓄電池とを有するパワーコンディショナとした場合、太陽電池からの直流出力をそれぞれＤＣ／ＤＣ変換するＤＣ／ＤＣコンバータと燃料電池から出力される直流電力をＤＣ／ＤＣ変換するＤＣ／ＤＣコンバータは共に内部に絶縁トランスを用いる絶縁型とし、蓄電池から出力される直流電力をＤＣ／ＤＣ変換するＤＣ／ＤＣコンバータは内部に絶縁トランスを用いない非絶縁型とすることができる。蓄電池の場合、ＤＣ／ＤＣコンバータは双方向型である。ここで、太陽電池と燃料電池それぞれのＤＣ／ＤＣコンバータを絶縁型とするのは、それらから対地に流れる漏れ電流を抑制することが理由であり、蓄電池のＤＣ／ＤＣコンバータを非絶縁型とするのは、それから対地に流れる漏れ電流が小さいことがその理由である。なお、太陽電池のＤＣ／ＤＣコンバータも太陽電池からの漏れ電流が小さくなるように施工すれば非絶縁型とすることができる。

なお、図４において、図１ないし図３と類似ないし対応する部分には同一の符号を付している。

そして図４で示す制御装置３ｈにおいても、負荷消費電力をＰＬ、上記第２ＤＣ／ＤＣコンバータ３ｄの出力をＰｏｕｔ２として当該出力Ｐｏｕｔ２が商用電源８に逆潮流されないように、Ｐｏｕｔ２≦ＰＬの関係式を維持する制御を行うようになっている。

上記では家庭内負荷消費電力ＰＬを電力計測器９を用いて計測したが、電力計測器９を用いないで、ＤＣ／ＡＣインバータ３ｇの交流出力のＰｏｕｔを計測する電力計測器３ｐの出力、売電メータ６の出力、買電メータ７の出力を用いて求めることもできる。

以上により、本実施の形態のパワーコンディショナ３においては、逆潮流不可発電要素である燃料電池２からの発電電力は商用電源８側に逆潮流されないように制御することができる。

１ 太陽電池
１a 第１分散型電源
２ 燃料電池（分散型電源）
２a 第２分散型電源
３ パワーコンディショナ
３ａ，３ｂ，３ｅ，３ｆ，３ｐ 計測器
３ｃ，３ｄ ＤＣ／ＤＣコンバータ
３ｇ ＤＣ／ＡＣインバータ
３ｈ 制御装置
３ｈ１ メモリ
３ｈ２ ＣＰＵ
４ 配電設備
５ 家庭内負荷
６ 売電メータ
７ 買電メータ
８ 商用電源
９ 電力計測器

Claims (7)

1. 分散型電源から出力される直流電力をＤＣ／ＤＣ変換し次いでＤＣ／ＡＣ変換して出力するものであって、
   負荷消費電力をＰＬ、逆潮流不可とされた分散型電源に関わる上記出力をＰｏｕｔ２として当該出力Ｐｏｕｔ２が商用電源に逆潮流されないように、出力Ｐｏｕｔ２≦負荷消費電力ＰＬの関係式を維持する制御を行うことを特徴とするパワーコンディショナ。
2. 上記分散型電源が電池を含め直流電力を出力できる発電機能を有すると共にその発電した直流電力を出力できる装置である、請求項１に記載のパワーコンディショナ。
3. 上記分散型電源が、キャパシタや蓄電池等を含め直流電力の貯蔵機能を有すると共に貯蔵した直流電力を出力できる装置である請求項１に記載のパワーコンディショナ。
4. 上記Ｐｏｕｔ２が、直流電力をＤＣ／ＤＣ変換するＤＣ／ＤＣコンバータの出力である、請求項１ないし３のいずれかに記載のパワーコンディショナ。
5. 複数の分散型電源それぞれに対応して当該各分散型電源それぞれの直流電力をＤＣ／ＤＣ変換し、その変換直流電力を出力する複数のＤＣ／ＤＣコンバータと、
   上記複数のＤＣ／ＤＣコンバータそれぞれの出力部が並列に接続され、これらＤＣ／ＤＣコンバータの各出力部からの変換直流電力をＤＣ／ＡＣ変換し、その変換交流電力を出力するインバータと、
   これらの動作を制御する制御装置と、
   を備え、
   上記制御装置は、上記複数のＤＣ／ＤＣコンバータのうちの少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータに接続された分散型電源に対する変換交流電力が商用電源に逆潮流不可とされた場合において、負荷消費電力をＰＬ、上記少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータの出力をＰｏｕｔ２として、当該出力Ｐｏｕｔ２が商用電源に逆潮流されないように、Ｐｏｕｔ２≦ＰＬの関係式を維持する制御を行うことを特徴とするパワーコンディショナ。
6. 上記複数の分散型電源の１つに太陽電池、別の１つに蓄電池とした場合、太陽電池から出力される直流電力をＤＣ／ＤＣ変換するＤＣ／ＤＣコンバータは絶縁型とし、蓄電池から出力される直流電力をＤＣ／ＤＣ変換するＤＣ／ＤＣコンバータは非絶縁型とする請求項５に記載のパワーコンディショナ。
7. 上記複数の分散型電源の１つに太陽電池、もう１つに燃料電池、さらにもう１つに蓄電池とした場合、太陽電池と燃料電池それぞれから出力される直流電力をＤＣ／ＤＣ変換するＤＣ／ＤＣコンバータは絶縁型とし、蓄電池から出力される直流電力をＤＣ／ＤＣ変換するＤＣ／ＤＣコンバータは非絶縁型とする請求項５に記載のパワーコンディショナ。

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