JP2014075855A - 電力制御システム及び太陽光発電システム - Google Patents

電力制御システム及び太陽光発電システム Download PDF

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Abstract

【課題】過負荷状態の発生による太陽光発電システムの停止を抑制する。
【解決手段】太陽光発電システムは、太陽光発電モジュール４と、太陽光発電モジュール４により発電した直流電力を交流電力に変換する太陽光発電用電力変換装置３と、蓄電池ユニット２と、太陽光発電用電力変換装置３により変換された交流電力を自立端子３ａから取り出して蓄電池ユニット２に充電する充放電制御装置１とを有し、制御部１６は、自立端子３ａから取り出されて充電制御装置１に入力する入力電力を検出し、太陽光発電モジュールの発電４電力を取得し、取得された発電電力と検出された入力電力との差分が所定値以下である場合に、充電制御装置１に入力する入力電力を低下させる。制御手段と
【選択図】図１

Description

本発明は、電力の入力を制御する電力制御システム及び太陽光発電システムに関する。
太陽光発電モジュールにより発電した電力を負荷又は他の電源系統に供給する技術は、下記の特許文献１に記載されている。この特許文献１には、太陽光発電モジュールが最大電力を出力しうる電圧値を電圧指令器によって設定するために、太陽光発電モジュールの出力電圧を検出している。変換装置の出力電圧は、検出された太陽光発電モジュールの出力電圧と設定した電圧値とを比較して調整される。
特開昭５６−０９１６３０号公報
ところで、太陽光発電システムにおいて、太陽光発電モジュールの発電電力よりも、太陽光発電モジュールに接続されたパワーコンディショナーから取り出す出力電力が高くなる過負荷状態となると、太陽光発電システムが停止してしまうという問題がある。太陽光発電システムが停止すると、手動又は自動で再起動する必要がある。
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、過負荷状態の発生による太陽光発電システムの停止を抑制することができる電力制御システム及び太陽光発電システムを提供することを目的とする。
本発明の第１の態様に係る電力制御システムは、太陽光発電モジュールと、前記太陽光発電モジュールにより発電した直流電力を交流電力に変換する電力変換装置と、蓄電池と、前記電力変換装置により変換された交流電力を当該電力変換装置に設けられた自立端子から取り出して前記蓄電池に充電する充電制御装置とを含む太陽光発電システムの電力制御システムであって、前記自立端子から取り出されて前記充電制御装置に入力する入力電力を検出する電力検出手段と、前記太陽光発電モジュールの発電電力を取得する発電電力取得手段と、前記発電電力取得手段により取得された発電電力と前記電力検出手段により検出された入力電力との差分が所定値以下である場合に、前記充電制御装置に入力する入力電力を低下させる制御手段とを備える。
本発明の第２の態様に係る電力制御システムは、上記第１態様の電力制御システムであって、前記制御手段は、前記差分が一定値になるように前記充電制御装置に入力する入力電力を調整する。
本発明の第３の態様に係る電力制御システムは、上記第２態様の電力制御システムであって、前記一定値は、前記電力変換装置が過負荷状態にならず、かつ、前記太陽光発電モジュールの発電量を最大限に取り出すことができる値に設定されている。
本発明の第４の態様に係る太陽光発電システムは、太陽光発電モジュールと、前記太陽光発電モジュールにより発電した直流電力を交流電力に変換する電力変換装置と、蓄電池と、前記電力変換装置により変換された交流電力を当該電力変換装置に設けられた自立端子から取り出して前記蓄電池に充電する充電制御装置と、前記自立端子から取り出されて前記充電制御装置に入力する入力電力を検出する電力検出手段と、前記太陽光発電モジュールの発電電力を取得する発電電力取得手段と、前記発電電力取得手段により取得された発電電力と前記電力検出手段により検出された入力電力との差分が所定値以下である場合に、前記充電制御装置に入力する入力電力を低下させる制御手段とを備える。
本発明によれば、自立端子から充電制御装置に入力する電力が低下した場合に、自立端子からの入力電力を低下させるので、過負荷状態の発生による太陽光発電システムの停止を抑制することができる。
本発明の実施形態として示す太陽光発電システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態として示す太陽光発電システムにおける片方向ＡＣＤＣコンバータ及び制御部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態として示す太陽光発電システムにおける発電電力と入力電力との関係を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
本発明の実施形態として示す太陽光発電システムは、例えば図１に示すように構成される。この太陽光発電システムは、例えば住宅に設置された太陽光発電モジュール４によって発電し、当該発電電力を充電したり住宅内の各種機器に供給するものである。
この太陽光発電システムは、充放電制御装置（充電制御装置）１、蓄電池ユニット２、太陽光発電用電力変換装置３、太陽光発電モジュール４、切替器５、自立対応盤６、及び、住宅分電盤７を含む。また、太陽光発電モジュール４は、電力バス１００ａに電力系統２００が接続されている。太陽光発電システムは、電力系統２００から系統電力が供給される。
この太陽光発電システムは、系統電力及び太陽光発電モジュール４によって発電した発電電力を住宅内の各種機器に供給可能である。また、太陽光発電システムは、系統電力及び発電電力を蓄電池ユニット２に蓄電可能である。更に、太陽光発電システムは、蓄電池ユニット２に蓄電した蓄電電力を住宅内の各種機器に供給可能である。
住宅内の各種機器は、自立対応盤６及び住宅分電盤７に接続されている。住宅内の各種機器は、自立対応盤６又は住宅分電盤７から供給された交流電力によって動作する。
太陽光発電モジュール４は、太陽光（エネルギー）を吸収して電気エネルギーに変換する。太陽光発電モジュール４は、太陽光の強度に応じた大きさの直流電力を発生する。太陽光発電モジュール４は、電力バス１００ｄを介して、変換した直流電力が太陽光発電用電力変換装置３によって取り出される。
太陽光発電用電力変換装置３は、所謂パワーコンディショナーである。太陽光発電用電力変換装置３は、太陽光発電モジュール４によって発電された発電電力としての直流電力を、交流電力に変換する。太陽光発電用電力変換装置３は、太陽光発電モジュール４の発電電力の変動に拘わらず、例えば、家庭用の１００Ｖの交流電力に変換する。太陽光発電用電力変換装置３は、変換した交流電力を、電力バス１００ａを介して住宅分電盤７に供給可能である。
太陽光発電用電力変換装置３には、電力バス１００ｃを介して充放電制御装置１に接続可能な自立端子３ａが設けられている。自立端子３ａは、例えば１００Ｖの交流電圧、１５００Ｗの電力が出力可能なものである。太陽光発電用電力変換装置３は、電力バス１００ｃを介して自立端子３ａと充放電制御装置１とが接続されている場合に、交流電力を充放電制御装置１に供給する。
切替器５は、電力バス１００ａ及び充放電制御装置１と接続されている。切替器５は、停電時等の系統電力を使用せずに動作する自立運転モードにおいて、電力バス１００ｂによって充放電制御装置１と自立対応盤６とを導通可能とする。また、切替器５は、電力バス１００ａと自立対応盤６とを導通可能とする。
充放電制御装置１は、蓄電池ユニット２に対する充電及び放電を制御するものである。充放電制御装置１は、系統用リレー１１、自立用リレー１２、双方向ＤＣＡＣコンバータ１３、双方向ＤＣＤＣコンバータ１４、片方向ＡＣＤＣコンバータ１５、及び、制御部（制御手段）１６を含む。
系統用リレー１１は、電力バス１００ａを介して電力系統２００や住宅内の各種機器に接続されている。また、系統用リレー１１は、双方向ＤＣＡＣコンバータ１３に接続されている。系統用リレー１１は、制御部１６の制御によって開閉動作する。
自立用リレー１２は、切替器５及び双方向ＤＣＡＣコンバータ１３と接続されている。自立用リレー１２は、制御部１６の制御によって開閉動作する。
双方向ＤＣＡＣコンバータ１３は、系統用リレー１１、自立用リレー１２、双方向ＤＣＤＣコンバータ１４、及び、片方向ＡＣＤＣコンバータ１５と接続されている。双方向ＤＣＡＣコンバータ１３は、双方向ＤＣＤＣコンバータ１４又は片方向ＡＣＤＣコンバータ１５から供給された直流電力を交流電力に変換して、系統用リレー１１及び自立用リレー１２に供給する。また、双方向ＤＣＡＣコンバータ１３は、系統用リレー１１から供給された系統電力を直流電力に変換して双方向ＤＣＤＣコンバータ１４に供給する。
双方向ＤＣＤＣコンバータ１４は、双方向ＤＣＡＣコンバータ１３、片方向ＡＣＤＣコンバータ１５、及び、蓄電池ユニット２と接続されている。双方向ＤＣＤＣコンバータ１４は、双方向ＤＣＡＣコンバータ１３又は片方向ＡＣＤＣコンバータ１５から供給された直流電力を、蓄電池ユニット２に充電するために適した直流電圧に変換する。双方向ＤＣＤＣコンバータ１４は、変換した直流電力を蓄電池ユニット２に充電させる。また、双方向ＤＣＤＣコンバータ１４は、蓄電池ユニット２から放電された直流電力を、双方向ＤＣＡＣコンバータ１３に適した電圧の直流電力に変換する。双方向ＤＣＤＣコンバータ１４は、電圧が変換された直流電力を双方向ＤＣＡＣコンバータ１３に供給する。
片方向ＡＣＤＣコンバータ１５は、太陽光発電用電力変換装置３の自立端子３ａ、電力バス１００ｃを介して入力した交流電力（入力電力）を直流電力に変換する。片方向ＡＣＤＣコンバータ１５は、変換した直流電力を双方向ＤＣＤＣコンバータ１４に供給する。
また、片方向ＡＣＤＣコンバータ１５には、自立端子３ａから取り出した入力電力の値を検出する入力検出部（電力検出手段）１５ａが設けられている。入力検出部１５ａは、検出した入力電力値を制御部１６に供給する。なお、入力電力を検出する機能は、図２を参照して後述する。
制御部１６は、充放電制御装置１における各部の動作を制御する。制御部１６は、発電電力を蓄電池ユニット２に充電する場合には、自立端子３ａから入力電力を取り出して、片方向ＡＣＤＣコンバータ１５、双方向ＤＣＤＣコンバータ１４を介して蓄電池ユニット２に発電電力を充電させる。制御部１６は、系統電力を蓄電池ユニット２に充電する場合には、系統用リレー１１をオンとし、双方向ＤＣＡＣコンバータ１３、双方向ＤＣＤＣコンバータ１４を介して蓄電池ユニット２に系統電力を充電させる。制御部１６は、停電時等の自立運転モードにおいては、自立用リレー１２をオンに制御して、太陽光発電モジュール４の発電電力を自立用リレー１２から切替器５に供給する。また、制御部１６は、停電時等の自立運転モードにおいては、自立用リレー１２をオンに制御して、蓄電池ユニット２の蓄電電力を自立用リレー１２から切替器５に供給することもできる。
このような太陽光発電システムにおいては、自立端子３ａから充放電制御装置１に入力する入力電力が太陽光発電モジュール４の発電電力を超える過負荷状態となると、太陽光発電用電力変換装置３の動作が停止するシャットダウン状態となる。太陽光発電システムは、このシャットダウン状態の発生を抑制するために、入力検出部１５ａによって自立端子３ａの入力電力を監視する。また、制御部１６は、太陽光発電モジュール４による発電電力を監視する。発電電力を監視する手段としては、太陽光発電モジュール４に設けられたセンサや太陽光発電用電力変換装置３に設けられたセンサ等により生成されたセンサ信号を、制御部１６が取得する（発電電力取得手段）。制御部１６は、取得された発電電力と入力検出部１５ａにより検出された入力電力との差分が所定値以下であるか否かを判定する。これにより、制御部１６は、入力電力が発電電力を超える過負荷状態となる可能性があるか否かを判定する。制御部１６は、発電電力から入力電力を差し引いた差分が所定値以下であると判定した場合、充放電制御装置１に入力する入力電力を低下させる（制御手段）。このような入力検出部１５ａ、制御部１６は、自立端子３ａからの入力電力を制御する電力制御システムとして機能する。
この入力電力の制御ために、片方向ＡＣＤＣコンバータ１５及び制御部１６は、例えば図２に示すような構成を有している。
片方向ＡＣＤＣコンバータ１５は、太陽光発電モジュール４及び太陽光発電用電力変換装置３と接続されたダイオードブリッジ２１、コイル２２、ダイオード２３、コンデンサ２４、及び、半導体スイッチ２５を有している。また、片方向ＡＣＤＣコンバータ１５は、電圧センサ２６ａに加え、電流センサ２６ｂも有している。太陽光発電用電力変換装置３から供給された交流電力（入力電力）は、ダイオードブリッジ２１によって全波整流され、コイル２２、ダイオード２３及びコンデンサ２４によって平滑化される。半導体スイッチ２５は、制御部１６から供給されたＰＷＭ信号に従ってオンオフ動作する。これによって、片方向ＡＣＤＣコンバータ１５は、自立端子３ａから供給された交流電力を、所望の電圧の直流電力に変換する。
制御部１６は、電圧センサ２６ａに接続された電圧検出部３１、電力検出部３２、過負荷判定部３３、電力指令部３４、電流指令部３５、電流検出部３６、差動増幅器３７、ＰＩ演算部３８、及び、ＰＷＭ出力部３９を有している。
電圧検出部３１は、電圧センサ２６ａのセンサ出力に応じて太陽光発電用電力変換装置３から取り出している入力電力の電圧値を検出する。電圧検出部３１は、検出した電圧値を電力検出部３２及び電流指令部３５に供給する。
電力検出部３２は、自立端子３ａから取り出している入力電力を検出する。電力検出部３２は、所定時間ごとに入力電力の検出を行う。検出された入力電力は、過負荷判定部３３に供給される。
過負荷判定部３３は、発電電力と入力電力との差分と所定値とを比較することによって、自立端子３ａから充放電制御装置１に取り出される入力電力が、太陽光発電モジュール４の発電電力量を超える過負荷状態となるような値か否かを判定する。例えば図３に示すように太陽光発電モジュール４の発電電力が変化する状況において、時刻ｔ０にて自立端子３ａから入力電力の取り出しを開始して、徐々に入力電力を増加させたとする。その後、自立端子３ａからの入力電力が発電電力に近づき、時刻ｔ１にて発電電力と入力電力との差分が所定値Pthに達すると、当該状態が、制御部１６の過負荷判定部３３によって検出できる。この場合、過負荷判定部３３は、入力電力の増加によって過負荷状態となる可能性があると判定する。過負荷判定部３３は、過負荷状態となる可能性があると判定した場合に、発電不足信号を電力指令部３４に供給する。
電力指令部３４は、片方向ＡＣＤＣコンバータ１５から出力する直流電力の電力指令値を生成する。電力指令部３４は、通常、双方向ＤＣＡＣコンバータ１３又は双方向ＤＣＤＣコンバータ１４に適した電力指令値を電流指令部３５に出力する。
電流指令部３５は、電圧検出部３１により検出された電圧値及び電力指令部３４から出力された電力指令値に基づいて電流指令値を出力する。電流検出部３６は、電流センサ２６ｂから供給されたセンサ出力から、自立端子３ａから取り出している入力電力の電流値を検出する。
差動増幅器３７は、電流指令部３５から供給された電流指令値と電流検出部３６から供給された電流値との差分を出力する。
ＰＩ演算部３８は、差動増幅器３７によって出力される差分を小さくするよう比例（Ｐ）演算及び積分（Ｉ）演算を行う。
ＰＷＭ出力部３９は、ＰＩ演算部３８によって演算された結果から、半導体スイッチ２５をオンオフさせるデューティ比を変化させて半導体スイッチ２５にＰＷＭ信号を供給する。これにより、ＰＷＭ出力部３９は、自立端子３ａから供給された交流電力を所望の直流電力に変換する。
過負荷判定部３３から発電不足信号が供給された場合に、電力指令部３４は、自立端子３ａからの入力電力を低下させる電力指令値を出力する。これに応じ、電流指令部３５は電流指令値を低下させる。これに応じ、ＰＩ演算部３８及びＰＷＭ出力部３９は、半導体スイッチ２５に与えるＰＷＭ信号のデューティ比を小さくする。これによって、制御部１６は、片方向ＡＣＤＣコンバータ１５から出力する直流電力を低くして、自立端子３ａからの入力電力を低くする。
以上のように、この太陽光発電システムによれば、自立端子３ａからの入力電力が太陽光発電モジュール４による発電電力に近づいても、過負荷状態となる前に入力電力を低下させることができる。したがって、過負荷状態となることによる太陽光発電システムの停止を抑制することができる。これにより、太陽光発電システムを手動などで再起動する必要を抑制できる。
また、制御部１６は、発電電力と入力電力との差分が所定の一定値（Pth）になるように充放電制御装置１に入力する入力電力を調整することが望ましい。例えば図３に示すように太陽光発電モジュール４の発電電力が変化した場合、制御部１６は、発電電力から一定値だけ小さい入力電力を太陽光発電用電力変換装置３から充放電制御装置１に入力するようにする。このとき、制御部１６は、取得した発電電力を、電力指令部３４に供給する。電力指令部３４は、取得した発電電力よりも一定値（Pth）だけ小さい電力値を電力指令値とする。これによって、ＰＷＭ出力部３９によって、入力電力を調整するよう半導体スイッチ２５を動作させることができる。したがって、この太陽光発電システムによれば、太陽光の状態によって発電電力が低下しても、過負荷状態となることを抑制することができる。なお、この一定値（Pth）は、過負荷状態となる頻度を低くしたい場合には大きな値を設定すればよい。
更に、制御部１６は、一定値を、太陽光発電用電力変換装置３が過負荷状態にならず、かつ、太陽光発電モジュール４の発電量を最大限に取り出すことができる値に設定していることが望ましい。例えば、太陽光発電モジュール４に照射される太陽光の変化によって所定時間にて変動しうる発電電力の幅と、充放電制御装置１の片方向ＡＣＤＣコンバータ１５によって入力電力を所定時間内に調整できる入力電力の幅とが既知であるとする。この場合、所定時間にて変動しうる発電電力の幅よりも所定時間内に調整できる入力電力の幅が大きくなるように一定値を設定する。これにより、過負荷状態となることを抑制でき、太陽光発電モジュール４の発電量を最大限に取り出すことができる。
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
１ 充放電制御装置
２ 蓄電池ユニット
３ 太陽光発電用電力変換装置
３ａ 自立端子
４ 太陽光発電モジュール
１５ 片方向ＡＣＤＣコンバータ
１５ａ 入力検出部
１６ 制御部
２１ ダイオードブリッジ
２５ 半導体スイッチ
３１ 電圧検出部
３２ 電力検出部
３３ 過負荷判定部
３４ 電力指令部
３５ 電流指令部
３６ 電流検出部
３７ 差動増幅器
３８ ＰＩ演算部
３９ ＰＷＭ出力部

Claims (4)

  1. 太陽光発電モジュールと、前記太陽光発電モジュールにより発電した直流電力を交流電力に変換する電力変換装置と、蓄電池と、前記電力変換装置により変換された交流電力を当該電力変換装置に設けられた自立端子から取り出して前記蓄電池に充電する充電制御装置とを含む太陽光発電システムの電力制御システムであって、
    前記自立端子から取り出されて前記充電制御装置に入力する入力電力を検出する電力検出手段と、
    前記太陽光発電モジュールの発電電力を取得する発電電力取得手段と、
    前記発電電力取得手段により取得された発電電力と前記電力検出手段により検出された入力電力との差分が所定値以下である場合に、前記充電制御装置に入力する入力電力を低下させる制御手段と
    を備えることを特徴とする電力制御システム。
  2. 前記制御手段は、前記差分が一定値になるように前記充電制御装置に入力する入力電力を調整することを特徴とする請求項１に記載の電力制御システム。
  3. 前記一定値は、前記電力変換装置が過負荷状態にならず、かつ、前記太陽光発電モジュールの発電量を最大限に取り出すことができる値に設定されていることを特徴とする請求項２に記載の電力制御システム。
  4. 太陽光発電モジュールと、
    前記太陽光発電モジュールにより発電した直流電力を交流電力に変換する電力変換装置と、
    蓄電池と、
    前記電力変換装置により変換された交流電力を当該電力変換装置に設けられた自立端子から取り出して前記蓄電池に充電する充電制御装置と、
    前記自立端子から取り出されて前記充電制御装置に入力する入力電力を検出する電力検出手段と、
    前記太陽光発電モジュールの発電電力を取得する発電電力取得手段と、
    前記発電電力取得手段により取得された発電電力と前記電力検出手段により検出された入力電力との差分が所定値以下である場合に、前記充電制御装置に入力する入力電力を低下させる制御手段と
    を備えることを特徴とする太陽光発電システム。
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