JP2012161189A

JP2012161189A - 蓄電池への太陽電池電力の充放電制御方法

Info

Publication number: JP2012161189A
Application number: JP2011020114A
Authority: JP
Inventors: Masaki Nakaishi; 雅樹仲石; Yuki Kokubu; 友輝國分
Original assignee: Tabuchi Electric Co Ltd
Current assignee: Tabuchi Electric Co Ltd
Priority date: 2011-02-01
Filing date: 2011-02-01
Publication date: 2012-08-23

Abstract

【課題】太陽電池の電力を充放電する蓄電池に対して当該充放電をシステム構成を複雑高価にすることなく制御できるようにする。
【解決手段】太陽電池１と、太陽電池１の直流電力を交流電力に変換して負荷に出力するパワーコンディショナ３と、を含む電力システムにおいて、太陽電池１の電力を充放電する蓄電池９に対して当該充放電制御を行う方法であって、パワーコンディショナ３内のＤＣバスライン３ｃと蓄電池９との間に双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ７を介装し、ＤＣバスライン３ｃにおけるライン電圧を監視し、前記監視するライン電圧の変化に応じて双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ７によりライン電圧をＤＣ／ＤＣ変換して蓄電池９への充電と、蓄電池９の充電電圧をＤＣ／ＤＣ変換してＤＣバスライン３ｃへの放電と、を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池の電力を充放電する蓄電池に対して当該充放電を制御する方法に関するものであにる。

近年、地球環境保護の観点から環境への影響の少ない太陽光発電システムの開発が盛んに進められている。

この太陽光発電システムでは、太陽電池によって発電した直流電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータおよびインバータを備えた電力変換装置であるパワーコンディショナによって、商用周波数の交流電力に変換し、商用電力系統と連系して負荷に供給するとともに、余剰電力を商用電力系統に逆潮流することが行われている（例えば、特許文献１参照）。

このような系統連系する太陽光発電システムに対して、系統連系を行わない太陽光発電システムがある。このタイプの太陽光発電システムでは、昼間時等における太陽電池の発電電力のうち余剰の電力を売電のために逆潮流をさせることができないので、その余剰電力を蓄電池に充電し、太陽電池の発電電力が不足する夜間などで蓄電池に蓄積したその余剰電力を負荷側に放電させて利用することが想定される。

特開２００１−１６１０３２号公報

しかしながら、前記の太陽光発電システムでは、太陽電池の発電電力や負荷の消費電力が常に変動するので、電流センサや電圧センサによって太陽電池の発電量や負荷での消費電力量を検出し全体を制御するコントローラによって蓄電池の充放電を制御する必要があり、このような制御では太陽光発電システム全体の構成を複雑にしてしまうと共に設備コストが大幅に増大してしまうなどの課題がある。

そこで本発明においては、前記蓄電池への充放電を簡易低廉に制御することができる方法を提供することを目的とする。

本発明による蓄電池への充放電制御方法は、太陽電池と、前記太陽電池の直流電力を交流電力に変換して負荷に出力するパワーコンディショナと、を含む電力システムにおいて、前記太陽電池の電力を蓄電池に対して充放電制御する方法であって、前記パワーコンディショナ内のＤＣバスラインと前記蓄電池との間に双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介装し、前記ＤＣバスラインにおけるライン電圧を監視し、前記監視するライン電圧の変化に応じて前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータによりライン電圧をＤＣ／ＤＣ変換して前記蓄電池への充電と、前記蓄電池の充電電圧をＤＣ／ＤＣ変換して前記ＤＣバスラインへの放電と、を制御することを特徴とする。

本発明において、好ましい態様は、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを、前記ＤＣバスラインと前記蓄電池一方の極への接続部との間に直列接続された第１、第２スイッチング素子と、前記第１、第２スイッチング素子それぞれに逆並列接続された第１、第２ダイオードと、前記両スイッチング素子の共通接続部と前記蓄電池の他方の極への接続部との間に直列接続される昇降圧コイルと、を含み、前記蓄電池への充電経路を少なくとも前記第１スイッチング素子と前記昇降圧コイルと前記第２ダイオードとで形成し、前記蓄電池からの放電経路を少なくとも前記昇降圧コイルと前記第２スイッチング素子と前記第１ダイオードとで形成することである。

本発明の好ましい態様は、前記蓄電池への充電に際しては、前記ＤＣバスライン、前記第１スイッチング素子、前記昇降圧コイルおよび前記蓄電池の第１充電経路でライン電圧を降圧して前記蓄電池を充電し、次いで、前記昇降圧コイルに蓄積のエネルギを前記昇降圧コイル、前記蓄電池、前記第２ダイオードの第２充電経路で充電する一方、前記蓄電池からの放電に際しては、前記蓄電池、前記昇降圧コイル、前記第２スイッチング素子の第１放電経路で昇降圧コイルにエネルギを蓄積し、前記蓄電池、前記昇降圧コイル、前記第１ダイオードの第２放電経路で蓄電池電圧を昇圧して放電する、ことである。

本発明の充放電制御方法においては、ライン電圧を監視するのみで蓄電池への充放電制御ができるようになり、太陽光発電システム全体の構成を複雑にすることなく、蓄電池に対して充放電制御を行うことができるようになる。

図１は、本発明の実施の形態に係る充放電制御方法が実施される太陽光発電システムの概略構成図である。図２は、図１の太陽光発電システム内の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成図である。図３は、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを用いた蓄電池への充電動作の説明に用いる図である。図４は、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを用いた蓄電池からの放電動作の説明に用いる図である。図５は、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの充電経路と放電経路とに対する各スイッチング素子のオンオフ関係を示す図である。図６は、横軸に時間、縦軸にライン電圧をとり、ライン電圧変化に対する蓄電池の充放電動作の説明に用いる図である。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施の形態にかかる蓄電池への充放電制御方法を詳細に説明する。

図１に上記充放電制御方法が実施される太陽光発電システムの概略構成を示す。図１を参照して、実施形態の太陽光発電システムは、太陽電池１と、パワーコンディショナ３と、負荷５と、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ７と、蓄電池９と、を含む電力システムである。

パワーコンディショナ３は、太陽電池１の直流電力を交流電力に変換して負荷５に出力するものであり、ＤＣ／ＤＣコンバータ３ａと、ＤＣ／ＡＣインバータ３ｂとを含む。ＤＣ／ＤＣコンバータ３ａとＤＣ／ＡＣインバータ３ｂとはＤＣバスライン３ｃで接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３ａは、太陽電池１の直流出力を昇圧してＤＣバスライン３ｃにライン電圧として出力する。ＤＣ／ＡＣインバータ３ｂは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３ａ出力を交流電力に変換して各種交流の負荷５に供給する。

双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ７は、パワーコンディショナ３と蓄電池９との間に介装され、パワーコンディショナ３のＤＣバスライン３ｃから供給される直流のライン電圧を降圧側にＤＣ／ＤＣ変換して蓄電池９に充電する一方、蓄電池９の充電電圧を昇圧側にＤＣ／ＤＣ変換してパワーコンディショナ３のＤＣバスライン３ｃに供給するＤＣ／ＤＣコンバータである。

図２を参照してこの双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ７は、ＤＣバスライン３ｃと蓄電池９の一方の極であるマイナス極との間に直列接続された、ＩＧＢＴ等からなる第１、第２スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、第１、第２スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２それぞれに逆並列接続された第１、第２ダイオードＤ１，Ｄ２と、両スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の共通接続部と蓄電池９の他方の極であるプラス極との間に直列接続される昇降圧コイルＣＬ１と、蓄電池９に並列のコンデンサＣ１と、第１、第２スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に並列接続されたコンデンサＣ２と、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ７を制御する制御部１１と、ＤＣバスライン３ｃにおけるライン電圧を検出する電圧センサ１３と、蓄電池９の充電電圧を検出する電圧センサ１５と、昇降圧コイルＣＬ１を流れる電流とその向きを検出する電流センサ１７と、を含む。

以上の構成を有する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ７においては、制御部１１は、電圧センサ１３，１５と電流センサ１７からのセンサデータに基づいてＤＣバスライン３ｃのバスライン電圧Ｖ１を監視しての蓄電池９への充放電制御を行う。

蓄電池９への充電に際しては、図３で示すようにＤＣバスライン３ｃ→第１スイッチング素子Ｑ１→昇降圧コイルＣＬ１→蓄電池９の第１充電経路Ｌ１でライン電圧を降圧して蓄電池９を充電する。また、昇降圧コイルＣＬ１に蓄積のエネルギを同図３で示すように昇降圧コイルＣＬ１→蓄電池９（コンデンサＣ１も含む）→第２ダイオードＤ２の第２充電経路Ｌ２で充電する。

また、蓄電池９からの放電に際しては、図４で示すように蓄電池９→昇降圧コイルＣＬ１→第２スイッチング素子Ｑ２の第１放電経路Ｌ３で昇降圧コイルＣＬ１にエネルギを蓄積する。また、同図４で示すように蓄電池９→昇降圧コイルＣＬ１→第１ダイオードＤ１の第２放電経路Ｌ４で蓄電池電圧を昇圧して放電する。

以上の第１、第２充電経路Ｌ１，Ｌ２と、第１、第２放電経路Ｌ３，Ｌ４に関して第１、第２スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオンオフは図５で示すように、第１充電経路Ｌ１は、第１スイッチング素子Ｑ１がオン（○印）、第２スイッチング素子Ｑ２がオフ（×印）であり、第２充電経路Ｌ２は、第１、第２スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が共にオフであり、第１放電経路Ｌ１は、第１スイッチング素子Ｑ１がオフ、第２スイッチング素子Ｑ２がオンであり、第２充電経路Ｌ２は、第１、第２スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が共にオフである。

次に図６を参照して実施形態の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ７による蓄電池９に対する充放電制御動作を説明する。この制御を行う双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ７内の制御部１１は、図示略のＣＰＵとメモリ等で構成されている。メモリにはＣＰＵの上記充放電制御プログラムが格納されている。ＣＰＵはこの制御プログラムに従い双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ７を用いて蓄電池９に対する充放電動作を制御することができるようになっている。図６は横軸に時間、縦軸にライン電圧をとった図であり、ライン電圧変化に対する蓄電池９の充放電動作の説明に用いる。

まず、太陽電池１の発電電力が例えば３ｋＷであり、負荷５で例えば１ｋＷ消費している場合、２ｋＷの電力が余剰となる。そして、この場合、パワーコンディショナ３でのライン電圧が図６の実線ＬＶで示すように所定電圧３８０Ｖ（この所定電圧はパワーコンディショナ３内のＰＷＭ制御により設定される指令電圧値）よりも高い電圧であれば、制御部１１にはそのライン電圧のデータが電圧センサ１３から与えられる。制御部１１は、ライン電圧Ｖ１が所定電圧の３８０Ｖ以上であるので第１スイッチング素子Ｑ１をオン、第２スイッチング素子Ｑ２をオフにして図３で示すように第１充電経路Ｌ１を形成し、この第１充電経路Ｌ１を介して蓄電池９にライン電圧を充電させる制御を行う。ついで、制御部１１は、同図３で示すように第１、第２スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を共にオフにして第２充電経路Ｌ２を形成し、この第２充電経路Ｌ２を介して昇降圧コイルＣＬ１からその蓄積エネルギを放出させ、この蓄積エネルギを蓄電池９に充電させる制御を行う。

こうして蓄電池９に充電させると、ライン電圧が図６で示すように低下してくる。この場合、制御部１１においては、ライン電圧が所定電圧である前記３８５Ｖを中心にして一定電圧例えば±５Ｖの電圧範囲で蓄電池９を充放電させることでライン電圧を前記３８５Ｖを含む±５Ｖの電圧範囲に制御するようになっている。この電圧範囲の下限値は３８０Ｖであり、上限値は３９０Ｖである。この上限と下限の値は一例であり、これに限定されない。

こうしてライン電圧が、前記一定電圧範囲の下限値である３８０Ｖに低下するまでは蓄電池９の充電を継続する。また、ライン電圧が前記下限値の３８０Ｖに到達すると、充電動作を停止させると共に図４で示すように第１放電経路Ｌ３、第２放電経路Ｌ４を形成して放電動作を開始させる。

こうして上記放電でライン電圧が一定電圧範囲の上限値の３９０Ｖに上昇するまでは蓄電池９の放電を継続し、ライン電圧が上記上限値３９０Ｖに到達すると放電動作を停止して充電動作を開始する。

以上の蓄電池９に対する充放電動作によりライン電圧は所定電圧の３８５Ｖを中心に一定電圧の±５Ｖの電圧範囲で制御しつつ、蓄電池９は、昼間時等における太陽電池１の発電電力のうち余剰電力を充電し、太陽電池１の発電電力が夜間や雨天、曇天、日陰等で日照不足して低下すると、上記蓄電池９の蓄積電圧をＤＣバスライン３ｃに放電し、その放電した電力を負荷５側で利用することができるようになっている。

なお、実施形態では、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ７と充電電池９とのセットは１セットで示したが、本発明では、この１セットの例に限定されるものではなく、このセットを複数セットで実施することも含む。

また、前記３８５Ｖは指令電圧値としてパワーコンディショナ３内部の図示略の制御部で設定してあり、パワーコンディショナ３におけるＰＷＭ制御で図６のＳ１，Ｓ２で示すようにＤＣ／ＤＣコンバータ３ａから出力されるライン電圧は３８５Ｖ近傍に制御される。そして、ライン電圧が３９０Ｖ以上である領域Ｓ１以前の電圧値から立ち下がって３８５Ｖ近傍領域Ｓ１にＰＷＭ制御されるが、その太陽電池１出力低下等でライン電圧が３８５Ｖより電圧が低下して３８０Ｖに達するまでは、蓄電池９が充電制御される。そして、３８０Ｖに低下すると、蓄電池９が放電制御されてライン電圧が上昇して指令電圧３８５Ｖに達すると、その３８５Ｖ近傍領域Ｓ２でＰＷＭ制御される。そして、ライン電圧が３８５Ｖより電圧が上昇して３９０Ｖに達するまでは蓄電池９の放電は継続され、ライン電圧が３９０Ｖに達すると、蓄電池９は放電から充電に反転制御される。

以上説明したように本実施の形態では、太陽電池１と、太陽電池１の直流電力を交流電力に変換して負荷に出力するパワーコンディショナ３と、を含む電力システムにおいて、太陽電池１の電力を充放電する蓄電池９に対して当該充放電制御を行う方法であって、パワーコンディショナ３内のＤＣバスライン３ｃと蓄電池９との間に双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ７を介装し、ＤＣバスライン３ｃにおけるライン電圧を監視し、前記監視するライン電圧の変化に応じて双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ７によりライン電圧をＤＣ／ＤＣ変換して蓄電池９への充電と、蓄電池９の充電電圧をＤＣ／ＤＣ変換してＤＣバスライン３ｃへの放電と、を制御するようにしたので、蓄電池９に対して太陽電池１の電力の充放電制御をシステム構成を複雑高価にすることなく実施することができるようになる。

１太陽電池
３パワーコンディショナ
３ａＤＣ／ＤＣコンバータ
３ｂＤＣ／ＡＣインバータ
５負荷
７双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ
Ｑ１，Ｑ２第１、第２スイッチング素子
ＣＬ１昇降圧コイル
９蓄電池

Claims

太陽電池と、前記太陽電池の直流電力を交流電力に変換して負荷に出力するパワーコンディショナと、を含む電力システムにおいて、前記太陽電池の電力を蓄電池に対して充放電制御する方法であって、
前記パワーコンディショナ内のＤＣバスラインと前記蓄電池との間に双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介装し、
前記ＤＣバスラインにおけるライン電圧を監視し、
前記監視するライン電圧の変化に応じて前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータによりライン電圧をＤＣ／ＤＣ変換して前記蓄電池への充電と、前記蓄電池の充電電圧をＤＣ／ＤＣ変換して前記ＤＣバスラインへの放電と、を制御することを特徴とする充放電制御方法。
前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、
前記ＤＣバスラインと前記蓄電池一方の極への接続部との間に直列接続された第１、第２スイッチング素子と、
前記第１、第２スイッチング素子それぞれに逆並列接続された第１、第２ダイオードと、
前記両スイッチング素子の共通接続部と前記蓄電池の他方の極への接続部との間に直列接続される昇降圧コイルと、
を含み、
前記蓄電池への充電経路を少なくとも前記第１スイッチング素子と前記昇降圧コイルと前記第２ダイオードとで形成し、
前記蓄電池からの放電経路を少なくとも前記昇降圧コイルと前記第２スイッチング素子と前記第１ダイオードとで形成する、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。