JP2013183610A - 制御装置および配電システム - Google Patents
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Abstract
【課題】再生可能エネルギーの発電装置と接続可能とされた蓄電池を管理するための技術を提供する。
【解決手段】第1取得部42は、再生可能エネルギーの発電装置に接続された蓄電池の電圧を取得する。第2取得部43は、前記蓄電池の電力の値を取得する。管理部46は、第1取得部42が取得した蓄電量が第1の閾値より大きく、かつ、第2取得部43が取得した電力の値が第2の閾値より小さくなる場合、前記発電装置と蓄電池との間の接続を切断させる。
【選択図】図9
【解決手段】第1取得部42は、再生可能エネルギーの発電装置に接続された蓄電池の電圧を取得する。第2取得部43は、前記蓄電池の電力の値を取得する。管理部46は、第1取得部42が取得した蓄電量が第1の閾値より大きく、かつ、第2取得部43が取得した電力の値が第2の閾値より小さくなる場合、前記発電装置と蓄電池との間の接続を切断させる。
【選択図】図9
Description
本発明は、配電技術に関し、特に再生可能エネルギーの発電装置に接続された蓄電池と、商用電源とが併存するシステムにおける電力を制御する技術に関する。
近年、商用電源の電力供給が停止した場合であっても駆動させるべき電気機器のバックアップ電源やピークカットのために、商用電源と蓄電池とを併用して用いる技術が開発されている。このような技術においては、蓄電池が放電する直流電力を交流電力に変換したり、蓄電池を充電するために商用電源の交流電力を直流電力に変換したりするためのインバータが用いられる。
また一方で、太陽電池をはじめとする再生可能エネルギーの発電装置と商用電源とを並列に接続し、商用電源および発電装置の両方から負荷へ電力を供給する系統連系運転を行う技術も開発されている。このような技術においても、太陽電池等の発電装置が発電した電力を交流電力に変換するインバータが用いられる。
上述したふたつの技術を併用すると、それぞれの技術で用いられる2種類のインバータが用いられることになるが、本願の発明者はこれらふたつのインバータを一体化してひとつのインバータとする双方向パワーコンディショナを考案した。この場合、蓄電池の入出力経路と、太陽電池等の発電装置の出力とを結合してパワーコンディショナ内のインバータに入力する。
太陽電池等の発電装置は、一般にその発電量を制御することが困難である。したがって蓄電池の入出力経路と太陽電池等の発電装置の出力とが結合された上述の技術においては、発電装置からの電力による過充電を防止することが求められている。
本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、再生可能エネルギーの発電装置と接続可能とされた蓄電池を管理するための技術を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明のある態様は制御装置である。この装置は、再生可能エネルギーの発電装置に接続された蓄電池の電圧を取得する第1取得部と、前記蓄電池の電力の値を取得する第2取得部と、前記第1取得部が取得した電圧が第1の閾値より大きく、かつ、前記第2取得部が取得した電力の値が第2の閾値より小さくなる場合、前記発電装置と前記蓄電池との間の接続を切断させる管理部とを備える。
本発明の別の態様は、配電システムである。このシステムは、再生可能エネルギーの発電装置に接続された蓄電池での電圧を取得する蓄電池制御部と、前記発電装置と前記蓄電池との間の経路から分岐された分岐経路と負荷との間に接続されたインバータと、前記インバータにおいて変換すべき電力の値を取得する電力検出部と、前記発電装置と前記蓄電池とを接続するスイッチと、前記スイッチの開閉を制御する管理部とを備える。ここで前記管理部は、前記蓄電池制御部が取得した電圧が第1の閾値より大きく、かつ、前記電力検出部が取得した電力の値が第2の閾値より小さくなる場合、前記スイッチに前記発電装置と前記蓄電池との接続を切断させる。
本発明によれば、再生可能エネルギーの発電装置と接続可能とされた蓄電池を管理するための技術を提供することができる。
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1の概要を述べる。実施の形態1は、太陽電池を商用電力系統と並列に接続し、商用電源および太陽電池の両方から負荷へ電力を供給するとともに、蓄電池を充電する配電システムに関する。このような配電システムは、例えばオフィスや家庭内等に設置される。電力会社が時間帯別電気料金制度を採用している場合、夜間の時間帯の電気料金は、昼間の時間帯の電気料金よりも安く設定される。これらの時間帯一例として、昼間の時間帯は7時から23時であり、夜間の時間帯は23時から翌日の7時というように規定される。このような低い電気料金を有効に利用するために、配電システムは、夜間の時間帯に、商用電源からの電力を蓄電池に蓄電する。
本発明の実施の形態1の概要を述べる。実施の形態1は、太陽電池を商用電力系統と並列に接続し、商用電源および太陽電池の両方から負荷へ電力を供給するとともに、蓄電池を充電する配電システムに関する。このような配電システムは、例えばオフィスや家庭内等に設置される。電力会社が時間帯別電気料金制度を採用している場合、夜間の時間帯の電気料金は、昼間の時間帯の電気料金よりも安く設定される。これらの時間帯一例として、昼間の時間帯は7時から23時であり、夜間の時間帯は23時から翌日の7時というように規定される。このような低い電気料金を有効に利用するために、配電システムは、夜間の時間帯に、商用電源からの電力を蓄電池に蓄電する。
蓄電池に蓄えられた電力は、商用電源が停電したときに、サーバやエレベータ等の重要な機器(特定負荷)を動作させるためのバックアップ電源として用いられる。蓄電池はさらに、一般に電気の使用量が大きくなる昼間の時間帯において放電することによって、昼間の商用電力における使用量の最大値を下げる、いわゆるピークカットまたはピークシフトとしても用いられる。
このように、蓄電池は特定負荷のバックアップとしての役割と、ピークカットとしての役割とのふたつの役割を持つ。実施の形態1に係る配電システムは、蓄電池に前述のふたつの役割を果たさせるために、商用電源が通電中の通常時には蓄電池に一定の蓄電量を確保しつつピークカットを実行し、商用電源が停電の場合には、蓄電池を放電して特定負荷に電力を供給する。
図1は、本発明の実施の形態1に係る配電システム100を模式的に示す図である。実施の形態1に係る配電システム100は、太陽電池10、蓄電池14、双方向パワーコンディショナ16、蓄電池制御部18、負荷26、第1スイッチ20、第2スイッチ12、電源切替部22、配電経路66、分電盤68、および蓄電池電力検出部70を含む。また、配電システム100は、商用電源24に接続されている。なお、本明細書において、配電システム100が太陽電池10を含む場合を例に説明するが、太陽電池10に限られず、例えば風力発電装置を含んでもよく、またこれらが併存していてもよい。
商用電源24は、電力会社からの電力を供給するための交流電源である。太陽電池10は、光起電力効果を利用し、光エネルギーを直接電力に変換する発電装置である。分電盤68は一端において商用電源24と接続され、他端において双方向パワーコンディショナ16と接続される。分電盤68は一端側や他端側から交流電力を受け付け、後述する第2種負荷30に交流電力を供給する。分電盤68は、一端側および他端側それぞれから受け付ける交流電力を計測することも可能である。太陽電池10として、シリコン太陽電池、さまざまな化合物半導体などを素材にした太陽電池、色素増感型(有機太陽電池)等が使用される。
双方向パワーコンディショナ16は、一端において蓄電池14および太陽電池10と接続するとともに、他端において分電盤68を介して商用電源24と接続可能となっている。詳細は後述するが、双方向パワーコンディショナ16は双方向インバータを備え、このインバータは太陽電池10が発電した電力、または蓄電池14が放電した電力である直流電力を交流電力に変換するとともに、商用電源24からの交流電力を直流電力に変換する双方向インバータである。また、双方向パワーコンディショナ16は、双方向パワーコンディショナ16の運転を停止または再開するためのユーザインタフェースである「運転/停止」ボタン(図示せず)を備える。双方向パワーコンディショナ16の運転中にユーザが「運転/停止」ボタンを押下すると、双方向パワーコンディショナ16は運転を停止し、双方向パワーコンディショナ16が運転を停止中に「運転/停止」ボタンを押下すると、双方向パワーコンディショナ16は運転を開始する。
蓄電池14は、商用電源24および太陽電池10からの電力を蓄電する。商用電源24からの電力は、双方向パワーコンディショナ16により交流電力から直流電力に変換された後、蓄電池14に蓄電される。蓄電池14としては、例えばリチウムイオン2次電池が用いられる。
蓄電池制御部18は、蓄電池14の蓄電量や温度等、蓄電池14の様々な物理量を測定するとともに、特定した物理量を双方向パワーコンディショナ16に提供する。蓄電池制御部18は、蓄電池14を温めるためのヒーターを制御して蓄電池14を温めたり、蓄電池14を冷やすためのファンを制御して蓄電池14を冷やしたりする等の制御も行う。蓄電池電力検出部70は、蓄電池14を充電するための電力および蓄電池14が放電する電力を計測する。蓄電池制御部18は、蓄電池電力検出部70の計測結果も取得する。
蓄電池制御部18は、蓄電池14の蓄電量や温度等、蓄電池14の様々な物理量を測定するとともに、特定した物理量を双方向パワーコンディショナ16に提供する。蓄電池制御部18は、蓄電池14を温めるためのヒーターを制御して蓄電池14を温めたり、蓄電池14を冷やすためのファンを制御して蓄電池14を冷やしたりする等の制御も行う。蓄電池電力検出部70は、蓄電池14を充電するための電力および蓄電池14が放電する電力を計測する。蓄電池制御部18は、蓄電池電力検出部70の計測結果も取得する。
第2スイッチ12は、太陽電池10の出力端子と、蓄電池14の入力端子および双方向パワーコンディショナ16との間に設けられており、太陽電池10と蓄電池14および双方向パワーコンディショナ16との接続をオンまたはオフする。太陽電池10の発電量は太陽光の量によって左右されるため、発電量を制御することは困難である。このため、第2スイッチ12を設けることにより、太陽電池10の発電電力により蓄電池14が過充電されることを防止することができる。
第1スイッチ20は、双方向パワーコンディショナ16と商用電源24との間に設けられており、双方向パワーコンディショナ16と商用電源24との間をオンまたはオフする。
電源切替部22は、第1スイッチ20と双方向パワーコンディショナ16との間から分岐された第1経路に接続する第1端子58と、商用電源24と第1スイッチ20との間の配電経路66から分岐された第2経路に接続する第2端子60とのいずれか一方と、後述する第1種負荷28との接続を切り替える。
電源切替部22は、第1スイッチ20と双方向パワーコンディショナ16との間から分岐された第1経路に接続する第1端子58と、商用電源24と第1スイッチ20との間の配電経路66から分岐された第2経路に接続する第2端子60とのいずれか一方と、後述する第1種負荷28との接続を切り替える。
負荷26は、第1種負荷28と第2種負荷30とをさらに含む。第1種負荷28と第2種負荷30とはともに、交流電力で駆動する交流駆動型の電気機器であり、上述の特定負荷である。第2種負荷30は、商用電源24と第1スイッチ20とを接続する配電経路66からの電力で駆動する。配電経路66から供給される電力は基本的には分電盤68を介して商用電源24から供給される電力であるが、例えばピークカット実行時には双方向パワーコンディショナ16を介して太陽電池10や蓄電池14から供給される電力が混合される。
第1種負荷28は、商用電源24が停電して電力供給が停止した場合であっても駆動させるべき電気機器である。第1種負荷28は、電源切替部22により第1経路または第2経路に接続される。第1種負荷28は、第2経路に接続された場合は、第2種負荷30と同様に、配電経路66からの電力で駆動する。第1種負荷28は、第2経路に接続された場合は、後述するように同時に第1スイッチ20がオフされるため、双方向パワーコンディショナ16を介して太陽電池10や蓄電池14から電力を供給されるが、商用電源24からは電力を供給されない。
図2は、本発明の実施の形態1に係る双方向パワーコンディショナ16の内部構成を模式的に示す図である。双方向パワーコンディショナ16は、インバータ32と制御部34とを含む。
図2は、本発明の実施の形態1に係る双方向パワーコンディショナ16の内部構成を模式的に示す図である。双方向パワーコンディショナ16は、インバータ32と制御部34とを含む。
前述したとおり、インバータ32は、負荷26に電力を供給するために、太陽電池10が発電した直流電力や、蓄電池14が放電する直流電力を交流電力に変換する。インバータ32はまた、蓄電池14に充電するために、商用電源24からの交流電力を直流電力に変換する。インバータ32は、商用電源24が通電中の場合は、商用電源24と連系するために、商用電源24の周波数に同期した周波数で動作する。また、インバータ32は、商用電源24が停電中の場合は、商用電源24の周波数と非同期の周波数で動作する。
制御部34は、商用電源24が停電か通電かのいずれの状態であるかを検知して判断する検出部38、インバータ32が直流電力から交流電力を生成する際の交流電力の周波数を設定する設定部36、および第1種負荷28に接続する電源を制御する負荷接続制御部40とをさらに備える。
検出部38は、双方向パワーコンディショナ16と商用電源24とを接続する配線上における電圧変動を常時監視しており、検出された電圧変動に基づき、商用電源24が停電か通電かを判断する。また、検出部38は、ユーザにより「運転/停止」ボタンが押下されたことを検出する。
制御部34は、商用電源24が停電か通電かのいずれの状態であるかを検知して判断する検出部38、インバータ32が直流電力から交流電力を生成する際の交流電力の周波数を設定する設定部36、および第1種負荷28に接続する電源を制御する負荷接続制御部40とをさらに備える。
検出部38は、双方向パワーコンディショナ16と商用電源24とを接続する配線上における電圧変動を常時監視しており、検出された電圧変動に基づき、商用電源24が停電か通電かを判断する。また、検出部38は、ユーザにより「運転/停止」ボタンが押下されたことを検出する。
設定部36は、検出部38の判断結果をもとに、インバータ32が生成すべき交流電力の周波数を設定する。具体的に、設定部36は、商用電源24が通電状態であると検出部38が判断した場合、商用電源24と連系するために、商用電源24に同期した位相と周波数とを設定する。これにより、太陽電池10および蓄電池14からインバータ32を介して出力された交流電力と、商用電源24からの交流電力とを同時に負荷26で消費することが可能となる。また、設定部36は、商用電源24が停電状態であると検出部38が判断した場合、設定部36は商用電源24の周波数と非同期の周波数を設定する。
負荷接続制御部40は、検出部38の判断結果に基づき、第1スイッチ20のオンオフおよび電源切替部22の切り替えを制御する。
負荷接続制御部40は、検出部38の判断結果に基づき、第1スイッチ20のオンオフおよび電源切替部22の切り替えを制御する。
以下、分散型電源である太陽電池10が、商用電源24と接続し、商用電源24の電圧に同期した電流を系統に流している運転状態を、双方向パワーコンディショナ16の「系統連系」運転ということがある。ここで「系統と同期した電流」とは、商用電源24の周波数と同じ周波数で、規定値以上の高周波電流を含まない正弦波であり、力率が概略1(商用電源24の電圧と同じ位相)の電流のことをいう。また、分散型電源である太陽電池10が、商用電源24と切り離された状態で、第1種負荷28等の特定の負荷に電力を供給している運転状態を、双方向パワーコンディショナ16の「自立」運転ということがある。双方向パワーコンディショナ16が自立運転中は、分散型電源が発電した電力を双方向パワーコンディショナ16自体が規定の電圧および周波数で規定値以上の歪みのない正弦波の電圧を発生させる。双方向パワーコンディショナ16は、「系統連系」運転と「自立」運転とのふたつの運転モードを切り替えながら運転する。
次に、配電システム100の制御方法について説明する。図3は、配電システム100の処理の流れを説明するフローチャートである。ここでは、双方向パワーコンディショナ16の起動時における配電システム100の制御方法について説明する。
また、図4は、商用電源24の状態の遷移と、配電システム100の制御状態(電源切替部22の切り替え、第1スイッチ20のオンオフ、および双方向パワーコンディショナ16の運転モード)との関係を示す表である。図4に示す表に記載された情報は、テーブル形式で、例えば制御部34内のメモリ(図示せず)に格納される。設定部36および負荷接続制御部40は、このテーブルを参照して、インバータ32、第1スイッチ20、および電源切替部22を管理する。
まず、双方向パワーコンディショナ16が起動すると(S2)、検出部38は商用電源24が停電か通電かのいずれの状態であるかを判断する(S4)。商用電源24が通電中であると検出部38が判断した場合(S4のN)、負荷接続制御部40は、第1スイッチ20をオンするとともに、電源切替部22に第2端子60と第1種負荷28とを接続させる(第2経路)。このとき、設定部36は、インバータ32の周波数および位相を、商用電源24に同期するように設定する。そのため、双方向パワーコンディショナ16は系統連系運転で運転する(S14)。
このように、第1種負荷28を第2経路に接続することにより、第1種負荷28は商用電源24および双方向パワーコンディショナ16と電気的に接続される。そのため、商用電源24からの電力と、双方向パワーコンディショナ16を介して送電された太陽電池10からの電力が、第2経路を介して第1種負荷28に供給される。なお、太陽電池10の発電電力が不足している場合には、蓄電池14の放電電力も双方向パワーコンディショナ16および第2経路を介して第1種負荷28に供給される。
また、図4は、商用電源24の状態の遷移と、配電システム100の制御状態(電源切替部22の切り替え、第1スイッチ20のオンオフ、および双方向パワーコンディショナ16の運転モード)との関係を示す表である。図4に示す表に記載された情報は、テーブル形式で、例えば制御部34内のメモリ(図示せず)に格納される。設定部36および負荷接続制御部40は、このテーブルを参照して、インバータ32、第1スイッチ20、および電源切替部22を管理する。
まず、双方向パワーコンディショナ16が起動すると(S2)、検出部38は商用電源24が停電か通電かのいずれの状態であるかを判断する(S4)。商用電源24が通電中であると検出部38が判断した場合(S4のN)、負荷接続制御部40は、第1スイッチ20をオンするとともに、電源切替部22に第2端子60と第1種負荷28とを接続させる(第2経路)。このとき、設定部36は、インバータ32の周波数および位相を、商用電源24に同期するように設定する。そのため、双方向パワーコンディショナ16は系統連系運転で運転する(S14)。
このように、第1種負荷28を第2経路に接続することにより、第1種負荷28は商用電源24および双方向パワーコンディショナ16と電気的に接続される。そのため、商用電源24からの電力と、双方向パワーコンディショナ16を介して送電された太陽電池10からの電力が、第2経路を介して第1種負荷28に供給される。なお、太陽電池10の発電電力が不足している場合には、蓄電池14の放電電力も双方向パワーコンディショナ16および第2経路を介して第1種負荷28に供給される。
また、双方向パワーコンディショナ16の起動時に、商用電源24が停電していると検出部38が判断した場合(S4のY)、負荷接続制御部40は、第1スイッチ20をオフするとともに、電源切替部22に第1端子58と第1種負荷28とを接続させる(第1経路)。このとき、設定部36は、インバータ32の周波数を商用電源24と非同期となるように設定するため、双方向パワーコンディショナ16は自立運転で運転する(S6)。
このように、第1種負荷28を第2経路から切断し第1経路に接続することにより、第1種負荷28は商用電源24から電気的に切断される。第1種負荷28は第1経路に接続されているために、第1種負荷28と双方向パワーコンディショナ16との電気的な接続は維持される。そのため、太陽電池10の発電電力は、双方向パワーコンディショナ16および第1経路を介して第1種負荷28に供給される。また、太陽電池10の発電電力が不足している場合は、蓄電池14の放電電力も同じ経路を通り第1種負荷28に供給される。
また、第1スイッチ20をオフすることにより、第2種負荷30が双方向パワーコンディショナ16から切断される。このため、太陽電池10および蓄電池14からの電力は、第2種負荷30には供給されない。
このように、第1種負荷28を第2経路から切断し第1経路に接続することにより、第1種負荷28は商用電源24から電気的に切断される。第1種負荷28は第1経路に接続されているために、第1種負荷28と双方向パワーコンディショナ16との電気的な接続は維持される。そのため、太陽電池10の発電電力は、双方向パワーコンディショナ16および第1経路を介して第1種負荷28に供給される。また、太陽電池10の発電電力が不足している場合は、蓄電池14の放電電力も同じ経路を通り第1種負荷28に供給される。
また、第1スイッチ20をオフすることにより、第2種負荷30が双方向パワーコンディショナ16から切断される。このため、太陽電池10および蓄電池14からの電力は、第2種負荷30には供給されない。
商用電源24が停電中は、太陽電池10や蓄電池14の電力が商用電源24に流れることを防ぐために、商用電源24から解列する必要がある。また、蓄電池14の蓄電容量に上限があり、商用電源24の停電時に負荷26の全てに電力を供給できるだけの蓄電容量を蓄電池14は持っていない。そこで、例えば夜間の照明など、必要最小限の第1種負荷28に対して、少しでも長い間継続的に電力を供給するために、商用電源24が停電中は、第1スイッチ20をオフすることにより、双方向パワーコンディショナ16と商用電源24とを電気的に切断するとともに、双方向パワーコンディショナ16と第2種負荷30との間も電気的に切断することが好ましい。
次に、商用電源24が通電状態から停電状態になり、停電状態の後に復旧し、再び通電状態に戻る場合における配電システム100の制御方法ついて、図3、図5および図6を参照して説明する。図5は、商用電源24の状態の遷移と、双方向パワーコンディショナ16の運転モードの切り替えと、負荷26の通電状態との関係を示す図である。
商用電源24が通電状態にある場合(図3のS4のN)、双方向パワーコンディショナ16は系統連系運転をしている(S14)。また、負荷接続制御部40は、第1スイッチ20はオンし、電源切替部22に第2端子60と第1種負荷28とを接続させている(第2経路)。これにより、第1種負荷28および第2種負荷30は、商用電源24および双方向パワーコンディショナ16の両方から電力供給を受ける。
商用電源24が通電状態から停電状態に遷移したと検出部38が判断した場合(S4のY)、負荷接続制御部40は、第1スイッチ20をオフするとともに、電源切替部22に第1端子58と第1種負荷28とを接続させる(第1経路)。これにより、第1種負荷28は双方向パワーコンディショナ16からの電力供給を維持できるが、第2種負荷30は停電中となる。また、設定部36は、インバータ32の周波数を商用電源24と非同期となるように設定するため、双方向パワーコンディショナ16の運転モードが系統連系運転から自立運転に切り替えられる(S6)。
商用電源24が通電状態にある場合(図3のS4のN)、双方向パワーコンディショナ16は系統連系運転をしている(S14)。また、負荷接続制御部40は、第1スイッチ20はオンし、電源切替部22に第2端子60と第1種負荷28とを接続させている(第2経路)。これにより、第1種負荷28および第2種負荷30は、商用電源24および双方向パワーコンディショナ16の両方から電力供給を受ける。
商用電源24が通電状態から停電状態に遷移したと検出部38が判断した場合(S4のY)、負荷接続制御部40は、第1スイッチ20をオフするとともに、電源切替部22に第1端子58と第1種負荷28とを接続させる(第1経路)。これにより、第1種負荷28は双方向パワーコンディショナ16からの電力供給を維持できるが、第2種負荷30は停電中となる。また、設定部36は、インバータ32の周波数を商用電源24と非同期となるように設定するため、双方向パワーコンディショナ16の運転モードが系統連系運転から自立運転に切り替えられる(S6)。
商用電源24が復旧しない間(S8のN)、双方向パワーコンディショナ16は自立運転を継続する(S6)。
現在、日本国では、所定の認証を取得したパワーコンディショナでない限り、商用電源24が停電状態から復旧して通電状態に戻った際に自動的に系統連系運転に復帰することは認められていない。そこで、商用電源24が停電状態から通電状態に遷移したと検出部38が判断した場合(S8のY)、双方向パワーコンディショナ16は自立運転を継続する(S10)。このとき、負荷接続制御部40は、電源切替部22に第1種負荷28と第2端子60とを接続させる(第2経路)一方で、第1スイッチ20のオフ状態は維持する。この結果、第1種負荷28は、双方向パワーコンディショナ16との間の接続が電気的に切断されるとともに、商用電源24と電気的に接続される。第1種負荷28は、商用電源24のみから電力が供給される。また、第2種負荷30への商用電源24からの電力供給も再開される。
停電復旧時に、双方向パワーコンディショナ16の運転モードを自立運転から系統連系運転に切り替えるためには、手動にて双方向パワーコンディショナ16を再起動させる必要がある。双方向パワーコンディショナ16は、再起動が行われない限り(S12のN)、自立運転を維持する(S10)。図6は、商用電源24が停電から復旧後に、双方向パワーコンディショナ16の運転を停止および再開する場合を示す図である。
検出部38は、商用電源24が復旧したと判断した後、双方向パワーコンディショナ16の「運転/停止」ボタンが押下されたことを検出した場合、双方向パワーコンディショナ16の自立運転を停止させる。ここで、第1種負荷28および第2種負荷30は、配電経路66に接続されているため、双方向パワーコンディショナ16の運転が停止しても商用電源24からの電力供給が維持される。さらにその後、検出部38が、商用電源24の通電中に、双方向パワーコンディショナ16の「運転/停止」ボタンが再度押下されたことを検出した場合、双方向パワーコンディショナ16は再起動する(S12のY)。配電システム100は上述した起動時の処理を行い、検出部38が商用電源24の通電を検知すると(S4のN)、双方向パワーコンディショナ16は系統連系運転を自動で開始する(S14)。さらに、負荷接続制御部40は、電源切替部22の第2端子60への接続を維持するとともに、第1スイッチ20をオンする。これにより、負荷26に対する商用電源24からの電力供給を維持するとともに、双方向パワーコンディショナ16とも接続する。
以上のように、商用電源24の状態が変化した場合であっても、変化に応じて電源切替部22を切り替えることにより、第1種負荷28への電力供給を常時確保することができる。電源切替部22の切り替え時に、数秒間ほど第1種負荷28への電力供給が途切れるが、すぐに電力供給が再開される。
検出部38は、商用電源24が復旧したと判断した後、双方向パワーコンディショナ16の「運転/停止」ボタンが押下されたことを検出した場合、双方向パワーコンディショナ16の自立運転を停止させる。ここで、第1種負荷28および第2種負荷30は、配電経路66に接続されているため、双方向パワーコンディショナ16の運転が停止しても商用電源24からの電力供給が維持される。さらにその後、検出部38が、商用電源24の通電中に、双方向パワーコンディショナ16の「運転/停止」ボタンが再度押下されたことを検出した場合、双方向パワーコンディショナ16は再起動する(S12のY)。配電システム100は上述した起動時の処理を行い、検出部38が商用電源24の通電を検知すると(S4のN)、双方向パワーコンディショナ16は系統連系運転を自動で開始する(S14)。さらに、負荷接続制御部40は、電源切替部22の第2端子60への接続を維持するとともに、第1スイッチ20をオンする。これにより、負荷26に対する商用電源24からの電力供給を維持するとともに、双方向パワーコンディショナ16とも接続する。
以上のように、商用電源24の状態が変化した場合であっても、変化に応じて電源切替部22を切り替えることにより、第1種負荷28への電力供給を常時確保することができる。電源切替部22の切り替え時に、数秒間ほど第1種負荷28への電力供給が途切れるが、すぐに電力供給が再開される。
また、商用電源24が停電と通電を繰り返す場合には、配電システム100は以下の処理を行うことができる。図7は、商用電源24が停電中で双方向パワーコンディショナ16が自立運転で運転している際に、商用電源24が復旧してその後再度停電した場合の、双方向パワーコンディショナ16の運転モードを説明する図である。
双方向パワーコンディショナ16が自立運転中に、検出部38が商用電源24の通電を検知すると、負荷接続制御部40は、電源切替部22に第1種負荷28と第2端子60とを接続させるとともに(第2経路)、第1スイッチ20のオフ状態は維持する。すなわち、第1種負荷28への電力供給は双方向パワーコンディショナ16から商用電源24に自動的に切り替わる。一方、双方向パワーコンディショナ16は自立運転を継続する。
双方向パワーコンディショナ16が自立運転を継続中に商用電源24が再度停電すると、負荷接続制御部40は、第1スイッチ20のオフを維持しつつ、電源切替部22に第1端子58と第1種負荷28とを接続させる(第1経路)。すなわち、第1種負荷28への電力供給は商用電源24から双方向パワーコンディショナ16に自動的に切り替わる。また、第2種負荷30への給電は停止し、第2種負荷30は停電となる。
次に、双方向パワーコンディショナ16の運転モードを手動によって切り替える例について、図8を参照して説明する。
図8は、手動で双方向パワーコンディショナ16の運転モードを切り替えた場合における、商用電源24の状態の遷移と負荷26の通電状態との関係を示す図である。図8(a)は、商用電源24の通電中に双方向パワーコンディショナ16の運転を停止および再開する場合を示す図である。
図8は、手動で双方向パワーコンディショナ16の運転モードを切り替えた場合における、商用電源24の状態の遷移と負荷26の通電状態との関係を示す図である。図8(a)は、商用電源24の通電中に双方向パワーコンディショナ16の運転を停止および再開する場合を示す図である。
商用電源24が通電中、双方向パワーコンディショナ16は系統連系運転で運転する。商用電源24が通電中に「運転/停止」ボタンが押下されると、双方向パワーコンディショナ16は系統連系運転を停止する。この場合でも商用電源24は通電中であるため、第1種負荷28と第2種負荷30とはともに、配電経路66を介して商用電源24から受電する。その後商用電源24が通電中に「運転/停止」ボタンが再度押下されると、双方向パワーコンディショナ16の検出部38は商用電源24の通電を検知し、双方向パワーコンディショナ16は系統連系運転で運転を開始する。
図8(b)は、双方向パワーコンディショナ16の運転停止中に商用電源24が停電した場合を示す図である。商用電源24が通電中に「運転/停止」ボタンが押下されると、双方向パワーコンディショナ16は系統連系運転を停止する。双方向パワーコンディショナ16が運転を停止している間に商用電源24が停電すると、第1種負荷28および第2種負荷30への電力の供給が停止する。その後、商用電源24が停電中に双方向パワーコンディショナ16の「運転/停止」ボタンが押下されると、双方向パワーコンディショナ16の検出部38は商用電源24の停電を検知し、双方向パワーコンディショナ16は自立運転で運転を開始する。これにより、第1種負荷28にのみ電力の供給が開始する。
図8(c)は、商用電源24の停電中に双方向パワーコンディショナ16の運転を停止および再開する場合を示す図である。商用電源24が停電中、双方向パワーコンディショナ16は自立運転で運転する。第1種負荷28にのみ電力が供給され、第2種負荷30は停電する。商用電源24が停電中に「運転/停止」ボタンが押下されると、双方向パワーコンディショナ16は自立運転を停止し、第1種負荷28も停電する。その後、商用電源24が停電中かつ双方向パワーコンディショナ16の運転停止中に「運転/停止」ボタンが押下されると、双方向パワーコンディショナ16の検出部38は商用電源24の停電を検知し、双方向パワーコンディショナ16は自立運転で運転を開始する。これにより、第1種負荷28にのみ電力の供給が開始する。
なお、上記の説明では、ユーザが「運転/停止」ボタンを押下して双方向パワーコンディショナ16を停止し、その後再び「運転/停止」ボタンを押下することでパワーコンディショナ16を再起動させる場合について説明した。本発明の実施の形態に係る双方向パワーコンディショナ16は、「運転/停止」ボタンの他に「リセット」ボタン(図示せず)も備えている。双方向パワーコンディショナ16が自立モードで運転中にユーザが「リセット」ボタンを押下すると、双方向パワーコンディショナ16は自動的に自立運転を停止し、系統連系運転を再開することもできる。
以上説明したように、実施の形態1に係る配電システム100によれば、商用電源24が復旧したときに、第1種負荷28に商用電源24からの電力供給を遅滞なく開始することができ、蓄電池14の蓄電量の消耗を抑制することができる。これにより、太陽電池10と接続可能とされた蓄電池14の残存蓄電量を制御することが可能となる。また、双方向パワーコンディショナ16の起動時から蓄電池14を適切に制御することが可能となる。
(実施の形態1の変形例)
上記は、商用電源24の状態と、双方向パワーコンディショナ16の運転モードおよび配電システム100の回路切り替えについて説明した。これは双方向パワーコンディショナ16の、第1種負荷28のバックアップとしての観点を主とする説明である。
上記は、商用電源24の状態と、双方向パワーコンディショナ16の運転モードおよび配電システム100の回路切り替えについて説明した。これは双方向パワーコンディショナ16の、第1種負荷28のバックアップとしての観点を主とする説明である。
前述したとおり、本発明の実施の形態に係る配電システム100は太陽電池10を備えており、蓄電池14は商用電源24から供給される電力で充電されるとともに、太陽電池10が発電した電力によっても充電される。商用電源24と異なり、太陽電池10の発電量は制御が難しいため、蓄電池14への過充電、過電流、および過電圧を防止する仕組みが重要となる。そこで、以下実施の形態1の変形例として、蓄電池14の電圧および電流の制御について説明する。実施の形態1の変形例に係る配電システム100の構成は、図1に示す実施の形態1に係る配電システム100と同様である。
図9は、本発明の実施の形態1の変形例に係る双方向パワーコンディショナ16の内部構成を模式的に示す図である。実施の形態1に係る双方向パワーコンディショナ16は、インバータ32、制御部34、および電力検出部50を備える。制御部34は、第1取得部42、第2取得部43、第3取得部44、第4取得部45、管理部46、タイマー47、および記憶部48をさらに備える。
図1を参照して前述したとおり、蓄電池制御部18は太陽電池10に接続された蓄電池14の電圧、電力および電流を測定する。第1取得部42は、蓄電池制御部18から、蓄電池14の蓄電量の現在の電圧の値を取得する。また、第3取得部44は、蓄電池制御部18から、蓄電池14の電力もしくは電流の値を取得する。電力検出部50は、太陽電池10と蓄電池14との間から分岐された分岐経路とインバータ32との間に設置され、インバータ32において交流電力に変換すべき直流電力の電力量を計測する。第2取得部43は、蓄電池14の電力の値を取得する。
蓄電池14は、例えばリチウムイオン二次電池によって構成されている。
まず、蓄電池14への過充電を防止する仕組みである蓄電量の制御について説明する。蓄電池14が過充電になる電圧である上限電圧を超えて充電した場合、管理部46は、蓄電量は過充電の状態と判断する。太陽電池10が発電する電力のうち、負荷26によって消費されないで残る余剰電力は、蓄電池14を充電するために用いられる。負荷26における消費電力が小さい場合や、双方向パワーコンディショナ16が負荷26から電気的に切り離されている場合には、太陽電池10が発電しても余剰電力として残る。このような場合に蓄電池14が満充電に近い状態であるとすると、蓄電池14が過充電となる場合もありうる。
まず、蓄電池14への過充電を防止する仕組みである蓄電量の制御について説明する。蓄電池14が過充電になる電圧である上限電圧を超えて充電した場合、管理部46は、蓄電量は過充電の状態と判断する。太陽電池10が発電する電力のうち、負荷26によって消費されないで残る余剰電力は、蓄電池14を充電するために用いられる。負荷26における消費電力が小さい場合や、双方向パワーコンディショナ16が負荷26から電気的に切り離されている場合には、太陽電池10が発電しても余剰電力として残る。このような場合に蓄電池14が満充電に近い状態であるとすると、蓄電池14が過充電となる場合もありうる。
また、蓄電池14は低温になるにつれて内部抵抗が上昇するため、蓄電池14を低温時に充電すると蓄電池14の電圧は上限電圧を超えてしまうこともあり、蓄電量は過充電の状態と判断される場合もある。
さらに、蓄電池14を充電する場合に電流が大きいと蓄電池14の電圧は蓄電池14の内部抵抗の影響で電圧が高くなり、上限電圧を超えてしまうこともありうる。そのため、蓄電池14は過充電の状態と判断される場合もある。
さらに、蓄電池14を充電する場合に電流が大きいと蓄電池14の電圧は蓄電池14の内部抵抗の影響で電圧が高くなり、上限電圧を超えてしまうこともありうる。そのため、蓄電池14は過充電の状態と判断される場合もある。
そこで管理部46は、双方向パワーコンディショナ16が出力を絞ってインバータ32が変換すべき電力が少なくなり、かつ蓄電池14が満充電に近い場合、つまり蓄電池14の電圧が上限電圧に近い場合に、第2スイッチをオフさせて、太陽電池10が発電した電力が蓄電池14に送電されることを遮断させる。具体的には、管理部46は、第1取得部42が取得した蓄電池14の電圧と第1の閾値とを比較する。ここで「第1の閾値」は、例えば管理部46が太陽電池10と蓄電池14との間の接続を切断するか否かを決定するために設けられた過充電防止基準値である。過充電防止基準値は、蓄電池14を構成する電池の性質等を考慮して実験により決定すればよいが、実施の形態1の変形例での説明では、蓄電池14の上限電圧もしくはマージンを持たせて上限電圧より少し低い電圧に設定している。
管理部46はまた、第2取得部43が取得した電力の値と第2の閾値とを比較する。ここで「第2の閾値」とは、例えば管理部46が太陽電池10と蓄電池14との間の接続を切断するか否かを決定するために設けられた過充電防止基準値である。過充電防止基準値は蓄電池電力検出部70で検出した値に基づいて、蓄電池14が放電する電力もしくは電流の値を正、蓄電池14に充電される電力もしくは電流の値を負とした場合に負の値で定義される。過充電防止基準値は、固定の値とすることもできるが、蓄電池14の電圧によって変化する変数値とすることで、精度よく過充電を防止することもできる。また、過充電防止基準値も、蓄電池14を構成する電池の性質等を考慮して実験により決定してもよい。
管理部46は、第1取得部42が取得した電圧が第1の閾値より大きく、かつ、第2取得部43が取得した電力の値が第2の閾値より小さくなる場合、第2スイッチ12をオフさせ、太陽電池10と蓄電池14とを電気的に切断させる。または、第2取得部43が取得した電力もしくは電流の値が零未満となった場合、第2スイッチ12をオフさせ、太陽電池10と蓄電池14とを電気的に切断させてもよい。これにより、満充電に近い状態の蓄電池14に供給される電力が遮断し、太陽電池10が発電した電力が蓄電池14に送電され、蓄電池14が過充電されることを未然に防止することができる。
次に蓄電池14への充電過電流を防止する仕組みである電流値の制御について説明する。前述したように蓄電池14を充電する場合に電流が大きい場合、蓄電池14の電圧は蓄電池14の内部抵抗の影響で電圧が高くなり、上限電圧を超えてしまい過充電となる。そのうえ、大きな電流が蓄電池14に流れると蓄電池14の劣化につながる可能性がある。そのため、蓄電池14の劣化の防止や安全性を保つためにも電流値を制御する必要がある。
そこで、過充電を防止する仕組みと同様の制御を、充電過電流を防止する仕組みにも適応する。具体的には、第3取得部44は、蓄電池制御部18から、蓄電池14の電流の値を取得する。なお、蓄電池制御部18は、蓄電池電力検出部70から蓄電池14の電流を取得する。管理部46は、第3取得部44が取得した蓄電池14の電流値と第3の閾値とを比較する。ここで「第3の閾値」は、例えば管理部46が太陽電池10と蓄電池14との間の接続を切断するか否かを決定するために設けられた過電流防止基準値である。また、蓄電池14に充電される電流を正とした場合に過電流防止基準値は正の値で定義される。過電流防止基準値は、第2の閾値と同様、蓄電池14の電圧によって変化する変数値とすることで、精度よく過電流を防止することができる。過電流防止基準値は、蓄電池14を構成する電池の性質等を考慮して実験により決定すればよいが、例えば蓄電池14のマージンを持たせて充電過電流より少し低く設定することが好適である。
管理部46は、第3取得部44が取得した電流値が第3の閾値より大きくなる場合、第2スイッチ12をオフさせ、太陽電池10と蓄電池14とを電気的に切断させる。これにより、満充電に近い状態の蓄電池14に供給される電力が遮断し、太陽電池10が発電した電力が蓄電池14に送電されることを防止することができる。
なお、蓄電池電力検出部70が蓄電池14の電圧、及び電流を計測したが、太陽電池10の出力端子に付近に太陽電池電力計を(図示せず)を別途設置して計測してもよい。太陽電池電力計を測定することで、管理部46は太陽電池の発電値を取得することができる。そのため、蓄電池14が満充電の状態で、蓄電池14に電流が流れないように、太陽電池の出力変動に応じて交流電力に変換すべき直流電力を算出することができる。また、太陽電池10と蓄電池14との間から分岐された分岐路とインバータ32との間に設置され、インバータ32において交流電力に変換すべき直流電力の電力値を計測する電力検出部50を設置してもよい。電力検出部50を備えることで、インバータ32において変換すべき電力と、蓄電池電力検出部70が計測する蓄電池14の電力との合計が、太陽電池10が発電する電力となる。このように、太陽電池10が発電する電力は電力検出部50および、蓄電池電力検出部70の計測結果から算出することができる。そのため、電力検出部50、蓄電池電力検出部70、および太陽電池電力計が計測する電力のうち、いずれかふたつの電力を計測できれば、残りの電力は算出することができる。したがって、電力検出部50、蓄電池電力検出部70、および太陽電池電力計の全ては必ずしも必要ではなく、少なくとも電力検出部50と太陽電池電力計を備えればよい。
以上、太陽電池10と蓄電池14との間の電気的切断について説明した。次に太陽電池10と蓄電池14との間を再度接続し直す制御について説明する。
まず、太陽電池10と蓄電池14との間を再度接続し直すための再接続の第1条件を示す。管理部46は第1取得部42が取得した電圧が第1の閾値より小さく、かつ第3取得部44が取得した電力もしくは電流が第3の閾値より小さい場合、第2スイッチ12をオンさせ、太陽電池10と蓄電池14との間を電気的に接続する。これにより、蓄電池14は上限電圧を超えないため過充電を防止し、かつ電流値も超えないので充電過電流が流れることを防ぐことができる。なお、太陽電池10と蓄電池14との間の電気的な接続が遮断されているため、第3取得部44が取得する電流は商用電源24からの電流だけである。
次に再接続の第2条件を示す。前述した接続の場合に、蓄電池14の電圧が上限電圧付近で、太陽電池10の発電量による余剰電力がある場合、第2スイッチ12をオンさせ、太陽電池10と蓄電池14とを電気的に接続すると余剰電力が蓄電池14に流れ込む。その結果、蓄電池14の蓄電量が第1の閾値を超えて再び第2スイッチ12をオフになり、太陽電池10と蓄電池14との電気的に切断してしまう。そのため、蓄電池14の電圧が上限電圧付近で増減を繰り返して、頻繁に第2スイッチ12をオン、オフし、スイッチの寿命の低下の原因となりうる。
そこで、管理部46は、第2スイッチ12をオフした後、一定時間経過後に前述した再接続第1条件を適応させる。具体的には、管理部46は、第2スイッチ12をオフした後の経過時間をタイマー47を用いて計測し、所定の時間経過後に前述した再接続第1条件を適応させる。所定の時間経過させることで、蓄電池14の電力は負荷26で消費されるため蓄電池14の電圧は上限電圧よりも低くなる。そのため、頻繁に第2スイッチ12がオン、オフされることを防止することができる。なお、第2スイッチ12をオフしている時間は蓄電池14の電力が負荷で消費されて蓄電池14の電圧が下がる時間ならばよく、ユーザによって自由に設定してよい。例えば、一日の時間帯によってタイマー47の時間を変更させるような設定が考えられる。太陽電池10の発電量が最大となった後の時間帯は、発電量が減少していくため、余剰電力が発生していても時間の経過と共に減少する。また、太陽電池10の発電量が最大となった後は時間が経過するほど、余剰電力は発生しにくくなる。そのため、太陽電池10の発電量が最大となった後の時間帯は、タイマー47の設定時間を短く設定しても蓄電池14の上限電圧を超えにくくなるため、再び太陽電池10と蓄電池14との間の接続を切断しなくて済む。また、タイマー47の設定時間を短くすることで太陽電池10を切断している時間を短くすることができるため、効率よく蓄電池14の充放電をすることができる。なお、タイマー47の設定時間は、例えば、0:00〜12:00は30分、12:00〜24:00は15分とあらかじめ所定の時間を設定してもよいが、季節や天候等の自然条件によって太陽電池10の最大発電量の時間帯は変化するため、季節や天候によっても設定を変更してもよい。また、太陽電池の発電量の増減に比例してタイマー時間を増減させる設定にしてもよい。なお「所定の時間」とは、第2スイッチ12が頻繁にオン、オフされることを防止するためのスイッチ切替基準時間であり、第2スイッチ12の性能等を考慮して実験により定めればよい。
次に再度、太陽電池10と蓄電池14との間を電気的に接続してもすぐに切断しなければならない状況を回避するための再接続の第3条件を示す。再接続第1条件もしくは再接続第の2条件では太陽電池10の発電量による余剰電力がある場合には第2スイッチ12を切断する処理をしたが、負荷26での消費が大きい場合に余剰電力は負荷26で消費される。
そこで、第1の実施の形態の変形例に係る配電システム100は、商用電源24からの供給される電力を取得する第4取得部45を備える。第4取得部45は、分電盤68から商用電源24が供給する電力値を取得する。管理部46は、再接続第1条件または再接続第2条件で太陽電池10と蓄電池14との間を電気的に接続しない場合でも商用電源24からの供給電力が第4のしきい値以上の場合に第2スイッチ12をオンにする。この場合、負荷26の消費電力が大きく、太陽電池10と蓄電池14との間を電気的に接続しても太陽電池10の余剰電力は負荷26側で消費されるため、蓄電池14は充電されず、第2スイッチ12は切断されない。
次に再接続の第2条件で、太陽電池10と蓄電池14との間の電気的に切断した状態を一定時間保つ制御を示した。再接続の第2条件の変形例である再接続の第4条件を示す。再接続の第2条件では一定時間経過しないと第2スイッチ12をオンすることができない。そのため、負荷26で消費される電力が大きいため蓄電池14の電力が消費され、蓄電池14の蓄電量が充電可能な範囲の蓄電量になっても一定時間が経過しない限り第2スイッチ12をオンして太陽電池10からの発電電力を充電させることができない。
そこで、蓄電池14の蓄電状態に係る遷移状態をあらかじめ設定する。例えば蓄電池14の過充電電圧範囲と充電電圧範囲とを設定しておき、設定した範囲内に電圧が入るか否かで蓄電状態の状態遷移とすることで、管理部46は、再接続の第2条件を適応した制御をおこなっていても時間経過に関係なく蓄電池14の電圧が充電電圧範囲に遷移した場合に第2スイッチ12をオンにする。この場合、太陽電池10が発電できる状態で、蓄電池14が充電できる状態になった場合に、管理部46は時間を待たずに太陽電池10と蓄電池14との間を電気的に接続させることができる。なお、蓄電状態に係る遷移状態は蓄電池14の蓄電状態を知ることができる遷移状態ならば如何なるものでもよく、例えば蓄電量の範囲が考えられる。
なお、第2スイッチ12の切断条件に関して、管理部46は、第1取得部42が取得した電圧が第1の閾値より大きい場合もしくは第3取得部44が取得した電流値が第3の閾値より大きい場合において、第2取得部43が取得した蓄電池14の電力値が第2の閾値よりも大きい場合であっても、その後第5の閾値より小さくなることが推定できる場合には、太陽電池10と蓄電池14との間を電気的に切断させるようにしてもよい。具体的には、管理部46は過去において負荷26によって消費された消費電力の時間変動パターンを格納する記憶部48を参照して、過去における負荷26における消費電力の実績値を取得する。
図10は、記憶部48が格納する負荷26における消費電力の時間変動パターンの一例を示す図である。図10は、時刻を横軸とし、各時刻における負荷26の消費電力を縦軸とするグラフである。
図10に示す例において、16時における負荷26の消費電力は近傍時刻における消費電力よりも小さく、第5の閾値以下であるとする。ここで「第5の閾値」とは、例えば管理部46が太陽電池10と蓄電池14との間を電気的に切断するか否かを決定するために設けられた過充電防止基準消費電力値である。過充電防止基準消費電力値は、蓄電池14を構成する電池の性質や、負荷26で消費される消費電力の時間変動パターン等を考慮して実験により決定すればよく、一例としては第2の閾値と同じ値としてもよい。
管理部46は、15時現在において負荷26が実際に消費している消費電力、すなわち蓄電池14の電力値が第2の閾値よりも大きい場合であっても、記憶部48を参照して取得した16時における負荷26の消費電力の実績値が第5の閾値以下である場合、第2スイッチ12をオフさせ、太陽電池10と蓄電池14との間を電気的に切断させる。
これにより、蓄電池14の電力値が第2の閾値より小さくなる蓋然性が高い場合には、蓄電池14の電力値が第2の閾値より小さくなる前に、太陽電池10と蓄電池14との間を電気的に切断させることが可能となる。蓄電池14の電力値が第2の閾値より実際に小さくなってから電気的に切断するよりも、蓄電池14の過充電および充電過電流をより効果的に防止できる点で有利である。なお、記憶部48に記憶される消費電力の時間変動パターンは、負荷26で消費された実績値を用いて更新してもよい。新しい情報によって時間変動パターンをアップデートできる点で有利である。
図11は、管理部46が取得する情報と閾値との大小関係と、第2スイッチ12のオンオフ状態との関係を示す表である。図11に示すように、蓄電池14の電圧が第1の閾値より大きく、かつ、蓄電池14の電力値が第2の閾値より小さい場合には、管理部46は第2スイッチ12をオフさせるとともに太陽電池10と蓄電池14との間を電気的に切断させることを基本とする。ただし、蓄電池14の電力値が第2の閾値より大きい場合であっても、過去において負荷26で消費された消費電力の実績値が第5の閾値より小さくなる場合には、太陽電池10と蓄電池14との間を電気的に切断させる。また、蓄電池14の電圧が第1の閾値よりも小さい場合であっても、蓄電池14の電流が第3の閾値よりも大きい場合は、管理部46は第2スイッチ12をオフさせるとともに太陽電池10と蓄電池14との間を電気的に切断させる。
図12は、実施の形態1の変形例に係る配電システム100の第2スイッチ12切断処理の流れを説明するフローチャートである。本フローチャートにおける処理は、例えば双方向パワーコンディショナ16が起動したときに開始する。
管理部46は、第1取得部42が蓄電池制御部18から取得した蓄電池14の現在の電圧が第1の閾値を超えているか否かを調べる。蓄電池14の電圧が第1の閾値よりも大きい場合(S16のY)、管理部46は、第2取得部43が電力検出部50から取得したインバータ32が変換すべき電力値が第2の閾値未満か否かを調べる。蓄電池14の電力値が第2の閾値以上の場合(S17のY)、管理部46は、第2スイッチ12をオフさせる(S18)。
蓄電池14の電圧が第1の閾値よりも小さい場合(S16のN)、管理部46は、第3取得部44が蓄電池制御部18から取得した蓄電池14の現在の電流が第3の閾値を超えているか否かを調べる。蓄電池14の現在の電流が第3の閾値よりも大きい場合(S19のY)、管理部46は、記憶部48を参照して取得した負荷26が消費する消費電力の実績値が第5の閾値未満か否かを調べる。記憶部48を参照して取得した実績値が第5の閾値未満の場合(S20のY)、管理部46は第2スイッチ12をオフさせる(S18)。
蓄電池14の電圧が第1の閾値以下の場合(S16のY)かつ蓄電池14の電力値が第2の閾値未満の場合(S17のN)、または蓄電池14の電圧が第1の閾値以下の場合(S16のN)かつ蓄電池14の現在の電流が第3の閾値未満の場合(S19のN)、または蓄電池14の電圧が第1の閾値以下の場合(S16のN)かつ蓄電池14の現在の電流が第3の閾値よりも大きい場合(S19のY)かつ記憶部48を参照して取得した実績値が第5の閾値以上の場合(S20のN)、管理部46は特段の処理をせず、第2スイッチ12は太陽電池10と蓄電池14との間の導通状態を維持する。管理部46は上記の処理を継続することで、太陽電池10と蓄電池14との間の電気的な接続および切断を制御する。
図13は、実施の形態1の変形例に係る配電システム100の第2スイッチ12再接続処理の流れを説明するフローチャートである。本フローチャートにおける処理は、例えば双方向パワーコンディショナ16が起動したときに開始する。
管理部46は、太陽電池10と蓄電池14との間にある第2スイッチ12が遮断されているか否かを確認する。第2スイッチ12が遮断されている場合(S40のY)、管理部46は、第4の閾値と、第4取得部45から取得した商用電源24の電力供給量とを比較する。商用電源24の電力供給量が第4の閾値未満の場合(S42のN)、管理部46は、タイマー47を参照して第2スイッチ12が遮断されてからの経過時間を取得する。
第2スイッチ12が遮断されてから所定の時間が経過している場合(S44のY)、管理部46は、第1取得部42が蓄電池制御部18から取得した蓄電池14の現在の電圧が第1の閾値を超えているか否かを調べる。蓄電池14の電圧が第1の閾値未満の場合(S46のY)、管理部46は、第2取得部43が蓄電池電力検出部70から取得した蓄電池14の電力値が第2の閾値未満か否かを調べる。第2取得部43が蓄電池制御部18から取得した電力値が第2の閾値未満の場合(S48のY)、管理部46は、第2スイッチ12を再接続する(S50)。
管理部46はまた、商用電源24の電力供給量が第4の閾値以上の場合も(S42のY)第2スイッチ12を再接続する(S50)。第2スイッチ12が接続されている場合(S40のN)、第2スイッチ12が遮断されてから所定の時間が経過していない場合(S44のN)、蓄電池14の電圧が第1の閾値より大きい場合(S46のN)、またはインバータ32が変換すべき電力値が第2の閾値より大きい場合(S48のN)、管理部46は特段の処理をしない。
以上説明したように、実施の形態1の変形例に係る配電システム100によれば、再生可能エネルギーの発電装置と電気的に接続可能とされた蓄電池の残存蓄電量の確保と、発電装置からの電力による過充電の防止および充電過電流の防止との両立を図るための技術を提供することができる。
また、蓄電池14の上限電圧より低い電圧に設定された第1の閾値を用いて、さらに、蓄電池14の電圧が第1の閾値を超えていても、蓄電池14に出入りする電流または電力が第2の閾値より小さければ、太陽電池10と蓄電池14との間を電気的に遮断する必要が無い。そのため、第2スイッチが必要なくオンオフされることを防ぐことができる。
また、太陽電池10と蓄電池14との間を電気的に再接続させる場合に蓄電池14の蓄電状態に応じたタイミングで再接続することができるため、再接続時にも発電装置からの電力による過充電および充電過電流を防止することができる。以上、太陽電池10と蓄電池14との間の電気的な接続の制御ついて説明した。
また、蓄電池14の上限電圧より低い電圧に設定された第1の閾値を用いて、さらに、蓄電池14の電圧が第1の閾値を超えていても、蓄電池14に出入りする電流または電力が第2の閾値より小さければ、太陽電池10と蓄電池14との間を電気的に遮断する必要が無い。そのため、第2スイッチが必要なくオンオフされることを防ぐことができる。
また、太陽電池10と蓄電池14との間を電気的に再接続させる場合に蓄電池14の蓄電状態に応じたタイミングで再接続することができるため、再接続時にも発電装置からの電力による過充電および充電過電流を防止することができる。以上、太陽電池10と蓄電池14との間の電気的な接続の制御ついて説明した。
(実施の形態2)
実施の形態2の概要を述べる。実施の形態2に係る配電システム100は、実施の形態1に係る双方向パワーコンディショナ16または実施の形態1の変形例に係る双方向パワーコンディショナ16と、従来型の単方向パワーコンディショナ54とが併存する。実施の形態2に係る配電システム100においては、商用電源24が通電中の場合、太陽電池10と蓄電池14とを電気的に接続せずに、単方向パワーコンディショナ54を介して商用電源24の出力経路である配電経路66と電気的に接続する。商用電源24が停電の場合、太陽電池10を単方向パワーコンディショナ54から電気的に切断するとともに蓄電池14および双方向パワーコンディショナ16に電気的に接続する。
実施の形態2の概要を述べる。実施の形態2に係る配電システム100は、実施の形態1に係る双方向パワーコンディショナ16または実施の形態1の変形例に係る双方向パワーコンディショナ16と、従来型の単方向パワーコンディショナ54とが併存する。実施の形態2に係る配電システム100においては、商用電源24が通電中の場合、太陽電池10と蓄電池14とを電気的に接続せずに、単方向パワーコンディショナ54を介して商用電源24の出力経路である配電経路66と電気的に接続する。商用電源24が停電の場合、太陽電池10を単方向パワーコンディショナ54から電気的に切断するとともに蓄電池14および双方向パワーコンディショナ16に電気的に接続する。
以下、実施の形態1またはその変形例に係る配電システム100と重複する説明については、適宜省略または簡略化して説明する。
図14は、本発明の実施の形態2に係る配電システム100を模式的に示す図である。実施の形態2に係る配電システム100は、太陽電池10、蓄電池14、商用電源24、双方向パワーコンディショナ16、蓄電池制御部18、負荷26、第1スイッチ20、第2スイッチ12、電源切替部22、パワーコンディショナ選択部52、および単方向パワーコンディショナ54を含む。以下、本明細書において、パワーコンディショナ選択部52を、PCS選択部(Power Conditioner System選択部)52と省略して記載することがある。
単方向パワーコンディショナ54は、太陽電池10と商用電源24との間に設置されており、一端において商用電源24と電気的に接続するとともに他端において太陽電池10と電気的に接続可能に構成されている。単方向パワーコンディショナ54は図示しないインバータを含み、商用電源24と連係するために太陽電池10が発電した直流電力を交流電力に変換する。
PCS選択部52は、太陽電池10を、単方向パワーコンディショナ54と電気的に接続するか、または双方向パワーコンディショナ16と電気的に接続するかを選択的に切り替える。具体的には、PCS選択部52は、単方向パワーコンディショナ54に接続する第1端子62、または第2スイッチに接続する第2端子64と、太陽電池10の出力端子とを選択する。
図15は、本発明の実施の形態2に係る双方向パワーコンディショナ16の内部構成を模式的に示す図である。実施の形態2に係る双方向パワーコンディショナ16は、インバータ32と制御部34とを含む。制御部34は、設定部36、検出部38、負荷接続制御部40、および電源接続管理部56をさらに含む。
蓄電池14が蓄電した電力を昼の時間帯において負荷に放電すれば、電気料金の高い商用電源からの電力の消費が低減され、電気料金の抑制とピークカットとを実現できる。しかしながら、我が国においては、商用電力系統への影響などを考慮して、現在のところ例えば太陽電池については売電が許可されているが、燃料電池や2次電池について売電は許可されていない。したがって、燃料電池や2次電池に関しては仮に余剰電力が生じても商用電力系統に逆潮流することがないように「電力品質確保に係る系統連系技術要件ガイドライン」に定められている。
太陽電池10に加えて、燃料電池や2次電池が備えられたいわゆる「ダブル発電」システムは、昼間などにおいても、燃料電池や2次電池からの電力を負荷に供給することによって、消費電力量が低減される。消費電力が低減されれば、余剰電力が増加するので、売電可能な電力量が増加する。上述した実施の形態1では、双方向パワーコンディショナ16が単独でしか存在しないため、双方向パワーコンディショナ16を通して出力された電力は、太陽電池10で発電された電力か、商用電源24から蓄電池14に充電された電力が放電された電力であるかの区別がつかず、売電が認められない。一方、太陽電池10を双方向パワーコンディショナ16から切り離すとともに単方向パワーコンディショナ54に接続すれば、単方向パワーコンディショナ54を介して商用電源24に逆潮流することによって太陽電池10が発電した余剰電力を売電することも可能となる。太陽電池10が発電した余剰電力を単方向パワーコンディショナ54を介して商用電源24に逆潮流する間も、双方向パワーコンディショナ16から出力される電力が第1種負荷28と第2種負荷30の消費電力合計よりも少ない限り、その電力は分電盤68から商用電源24側に流れることはないため、蓄電池14の充放電も可能となる。
電源接続管理部56は、検出部38の判断結果に応じて、太陽電池10を蓄電池14に接続された双方向パワーコンディショナ16と接続するか、単方向パワーコンディショナ54を介して商用電源24と接続するかを制御する。
具体的に、電源接続管理部56は、検出部38によって商用電源24が通電状態であることを判断した場合、双方向パワーコンディショナ16に太陽電池10を電気的に接続させず、単方向パワーコンディショナ54を介して商用電源24と電気的に接続させる。この結果、太陽電池10と蓄電池14とは電気的に切断されるため、余剰電力を売電することが可能となる。また、蓄電池14は双方向パワーコンディショナ16を介して負荷26に接続され、商用電源24が停電した場合に備えるバックアップ電源となる。
検出部38が、商用電源24が停電状態に遷移したこと判断した場合、太陽電池10を単方向パワーコンディショナ54から電気的に切断させるとともに、双方向パワーコンディショナ16と電気的に接続させる。負荷接続制御部40は、双方向パワーコンディショナ16と第2種負荷30との間は電気的に切断させる。これにより、商用電源24が停電して電力供給が停止した場合であっても駆動させるべき第1種負荷28には、蓄電池14からの電力が供給される。また、双方向パワーコンディショナ16を介して太陽電池10が発電した電力も供給されるとともに、太陽電池10が発電した電力を蓄電池14に蓄え、夜間に第1種負荷28に供給することも可能となるため、蓄電池14単独のバックアップよりも長時間のバックアップが期待できる点で有利である。
電源接続管理部56は、検出部38が、商用電源24が停電状態から通電状態に遷移したと判断した場合、電源接続管理部56は、太陽電池10と双方向パワーコンディショナ16との接続を維持させる。一方、負荷接続制御部40は、双方向パワーコンディショナ16を第1種負荷28から電気的に切断させるとともに、商用電源24を第1種負荷28および第2種負荷30と電気的に接続させる。
図16は、本発明の実施の形態2に係る、商用電源24の運転状態の遷移と電源切替部22の選択との関係を示す図であり、商用電源24が停電状態から通電状態に復帰した後に、配電システム100の系統連系運転を再開させる方法を説明するための図である。
上述したように、双方向パワーコンディショナ16が自立運転中にユーザは「運転/停止」ボタンを押下して双方向パワーコンディショナ16を停止させるとともに、その後再び「運転/停止」ボタンを押下してパワーコンディショナ16の運転を再開させることができる。あるいは、双方向パワーコンディショナ16が自立運転中にユーザは「リセット」ボタンを1回押すことによってパワーコンディショナ16の運転を再開させるもできる。ユーザが「運転/停止」ボタンを2回押すか、あるいは「リセット」ボタンを1回押してパワーコンディショナ16の運転を再開させた時点において、検出部38は商用電源24が通電状態であるか否かを検出する。検出部38の検出の結果、商用電源24が通電状態の場合、電源接続管理部56はPCS選択部52に第1端子62を選択させる。これにより、太陽電池10は単方向パワーコンディショナ54と電気的に接続される。検出部38が、商用電源24が通電状態から停電状態に遷移したことを検出した場合、電源接続管理部56は、PCS選択部52に第2端子64を選択させる。これにより、太陽電池10は双方向パワーコンディショナ16と電気的に接続される。その後商用電源24が停電状態から通電状態に遷移したと判断された場合であっても、電源接続管理部56はPCS選択部52に第2端子64の選択を維持させる。
図17は、本発明の実施の形態2に係る配電システム100の処理の流れを説明するフローチャートである。本発明における処理は、例えば実施の形態2に係る双方向パワーコンディショナ16が起動したときに開始する。
検出部38は商用電源24が停電か通電かのいずれの状態であるかを判断する。検出部38の判断の結果、商用電源24が停電の場合(S24のY)、電源接続管理部56は、PCS選択部52に第2端子64を選択させることで、太陽電池10を蓄電池14および双方向パワーコンディショナ16に電気的に接続させる(S26)。また負荷接続制御部40は、商用電源24と第1種負荷28とを電気的に切断させる(S28)。
検出部38が商用電源24の通電を検知しない間(S30のN)、太陽電池10と双方向パワーコンディショナ16との電気的な接続、および商用電源24と第1種負荷28との電気的な切断を維持する。検出部38が商用電源24が停電状態から通電状態に遷移したと判断すると(S30のY)、負荷接続制御部40は、第1種負荷28を双方向パワーコンディショナ16から電気的に切断させるとともに、商用電源24に電気的に接続させる(S32)。
双方向パワーコンディショナ16の「運転/停止」ボタンが2回押下されるか、あるいは「リセット」ボタンが1回押下されて双方向パワーコンディショナ16が再起動されるまでの間(S34のN)、双方向パワーコンディショナ16は第1種負荷28と電気的に切断された状態を維持する。双方向パワーコンディショナ16の「運転/停止」ボタンもしくは「リセット」ボタンが押下されて双方向パワーコンディショナ16が再起動されると(S34のY)、ステップS24の処理に戻る。
検出部38の判断の結果、商用電源24が通電状態の場合(S24のN)、電源接続管理部56はPCS選択部52に第1端子62を選択させることで、太陽電池10を単方向パワーコンディショナ54に電気的に接続させる(S36)。これにより、太陽電池10が発電した電力は、単方向パワーコンディショナ54を介して配電経路66に入力される。以上の処理を継続することにより、実施の形態2に係る双方向パワーコンディショナ16内の制御部34は、太陽電池10の出力先を、単方向パワーコンディショナ54または双方向パワーコンディショナ16とする切り替えを制御する。
以上、本発明の実施の形態2に係る配電システム100によれば、商用電源24が停電中には太陽電池10と双方向パワーコンディショナ16とを電気的に接続することで、第1種負荷28への供給電力を増加させることが可能となる。また、商用電源24が通電中には太陽電池10の発電した電力を商用電源24に逆潮流することも可能となる。これにより、再生可能エネルギーの発電装置である太陽電池10と接続可能とされた蓄電池14の残存蓄電量の管理も容易となる。
以上、本発明の実施の形態1、実施の形態1の変形例、および実施の形態2を説明した。これらの任意の組み合わせもまた、本発明の実施の形態を構成する。組み合わせによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果を合わせ持つ。
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
例えば上述した実施の形態1、実施の形態1の変形例、および実施の形態2の各実施の形態において、制御部34は双方向パワーコンディショナ16に設置される場合について説明したが、制御部34は双方向パワーコンディショナ16に設置されることは必須ではない。制御部34の設置場所は自由度があり、例えば蓄電池制御部18内に設置されてもよく、また、単独で存在してもよい。
10 太陽電池、 12 第2スイッチ、 14 蓄電池、 16 双方向パワーコンディショナ、 18 蓄電池制御部、 20 第1スイッチ、 22 電源切替部、 24 商用電源、 26 負荷、 28 第1種負荷、 30 第2種負荷、 32 インバータ、 34 制御部、 36 設定部、 38 検出部、 40 負荷接続制御部、 42 第1取得部、 43 第2取得部、 44 第3取得部、 45 第4取得部、 46 管理部、 48 記憶部、 50 電力検出部、 52 パワーコンディショナ選択部、 52 PCS選択部、 54 単方向パワーコンディショナ、 56 電源接続管理部、 66 配電経路、 68 分電盤、 70 蓄電池電力検出部、 100 配電システム。
Claims (8)
- 再生可能エネルギーの発電装置に接続された蓄電池の電圧を取得する第1取得部と、
前記蓄電池の電力の値を取得する第2取得部と、
前記第1取得部が取得した電圧が第1の閾値より大きく、かつ、前記第2取得部が取得した電力の値が第2の閾値より小さくなる場合、前記発電装置と前記蓄電池との間の接続を切断させる管理部とを備えることを特徴とする制御装置。 - 前記蓄電池の電流の値を取得する第3取得部をさらに備え、
前記管理部は、前記第3取得部が取得した電流の値が第3の閾値より大きく、かつ、前記第2取得部が取得した電力の値が第2の閾値より小さくなる場合、前記発電装置と前記蓄電池との間の接続を切断させることを特徴とする請求項1に記載の制御装置。 - 前記発電装置と前記蓄電池との間の接続が遮断されている場合、
前記管理部は、前記第1取得部が取得した電圧が第1の閾値より小さく、かつ、前記第3取得部が取得した電流の値が第3の閾値より小さくなる場合、前記発電装置と前記蓄電池との間を接続させることを特徴とする請求項2に記載の制御装置。 - 前記発電装置と前記蓄電池との間の接続が遮断されている時間を計測するタイマーをさらに備え、
前記管理部は、前記タイマーを参照して前記発電装置と前記蓄電池との間の接続が遮断してから一定時間経過するまで、前記発電装置と前記蓄電池との間の接続をさせないことを特徴とする請求項3に記載の制御装置。 - 商用電源から供給される電力を取得する第4取得部をさらに備え、
前記管理部は、前記発電装置と前記蓄電池との間の接続が遮断している場合に前記第4取得部が取得した商用電源から供給される電力が第4のしきい値より大きい場合、前記発電装置と前記蓄電池との間を接続をさせることを特徴とする請求項3または4に記載の制御装置。 - 前記発電装置と前記蓄電池との間の接続が遮断されている場合、
前記管理部は、前記蓄電池の蓄電状態に係る遷移状態が変化したときに前記発電装置と前記蓄電池との間を接続をさせることを特徴とする請求項3から5のいずれかに記載の制御装置。 - 過去において負荷によって消費された消費電力の時間変動パターンを格納する記憶部をさらに備え、
前記管理部は、前記記憶部に記憶された消費電力の時間変動パターンにおける実績値が第5の閾値より小さい場合、前記第2取得部が取得した電力の値が第2の閾値以上であっても、前記発電装置と前記蓄電池との間の接続を切断させることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の制御装置。 - 再生可能エネルギーの発電装置に接続された蓄電池での電圧を取得する蓄電池制御部と、
前記発電装置と前記蓄電池との間の経路から分岐された分岐経路と負荷との間に接続されたインバータと、
前記インバータにおいて変換すべき電力の値を取得する電力検出部と、
前記発電装置と前記蓄電池とを接続するスイッチと、
前記スイッチの開閉を制御する管理部とを備え、
前記管理部は、前記蓄電池制御部が取得した電圧が第1の閾値より大きく、かつ、前記電力検出部が取得した電力の値が第2の閾値より小さくなる場合、前記スイッチに前記発電装置と前記蓄電池との接続を切断させることを特徴とする配電システム。
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