JP2014075902A - 交流発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パワーコンディショナによって交流に変換される直流電力について、蓄電機構を用いてパワーコンディショナの変換効率を高める制御を提供すること。また、この制御によって発電効率の高い交流発電装置を実現すること。
【解決手段】直流発電装置、パワーコンディショナ及び蓄電機構の間の送電を制御する制御機構を備える。直流発電装置の発電する電力が境界値以上であれば発電された電力の全てを前記パワーコンディショナに送電し、境界値未満であれば発電された電力に蓄電機構からの追加電力を加えてパワーコンディショナに送電する、若しくは、発電された電力で蓄電機構を充電する。
【選択図】図２

Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換する交流発電装置に関するものである。

太陽光、風力等の自然エネルギーによって発電し、家庭用電力として使用すること及び電力会社に売電することが行われている。このために用いられる装置の多くは、自然エネルギーによって定量的ではない直流電力を発電し、パワーコンディショナ等を用いてその直流電力を交流電力に変換する。家庭用電力が交流電力であるためである。
その際、入力される電力量に依存してパワーコンディショナの変換効率が変動するため、できるだけ高い変換効率で交流電力に変換させるための制御が、特許文献１、特許文献２、その他各種提案されている。
しかし、これらの制御はパワーコンディショナの定格容量の値に対して上位７７％程度の範囲に対応するものであるため、自然エネルギーによる発電量が少ない下位２３％の\範囲時には、直流電力の低下と共にパワーコンディショナの変換効率も低下し、その能力を十分に高めることはできないものであった。

一方、自然エネルギーによって発電された電力を蓄電池等の蓄電機構に蓄えておき、後から必要に応じて使用することで、発電出力を経済的に有利なものとする制御が、特許文献３及び特許文献４に提案されている。
しかし、これらの制御は電力需要・料金等に対する最適化であるため、パワーコンディショナの変換効率を十分に高めることは考慮されていなかった。

以上のとおり、自然環境によって大きく変動する直流電力について、蓄電機構を用いてパワーコンディショナの変換効率を高める制御、すなわち自然エネルギーによる交流発電装置全体としての発電効率を高める制御は、知られていなかった。

特開２０１２−１６９４４７号公報 特開２０１１−２３８０８８号公報 特開２００７−３３００５７号公報 実用新案登録３１７２８５５号公報

解決しようとする課題は、パワーコンディショナによって交流に変換される直流電力について、蓄電機構を用いてパワーコンディショナの変換効率を高める制御を提供することである。また、この制御によって発電効率の高い交流発電装置を実現することである。

本発明の交流発電装置は、
直流発電装置と、
直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナと、
直流電力を蓄電する蓄電機構とを備える交流発電装置において、
前記直流発電装置、前記パワーコンディショナ及び前記蓄電機構の間の送電を制御する制御機構を備え、
前記制御機構は、
前記直流発電装置の発電する電力のみを前記パワーコンディショナに送電する第一の状態と、
前記直流発電装置の発電する電力の全て及び前記蓄電機構の放電する電力を前記パワーコンディショナに送電する第二の状態と、
前記直流発電装置の発電する電力の全てを前記蓄電機構に送電する第三の状態と
を少なくとも含む複数の状態のうちの１つを選択する状態選択機能を備え、
前記状態選択機能は、前記第一の状態を選択するための必要条件として、前記直流発電装置の発電に係る電力値が所定の境界値以上であることを少なくとも要求し、
前記境界値は前記パワーコンディショナの変換効率を最適化する値よりも小さな値であり、前記境界値における前記パワーコンディショナの変換効率の前記最適化の場合に対する低下率が前記蓄電機構の蓄電ロスの予測値よりも大きいものであることを特徴とする。

３つの状態を切替えて高い発電効率を実現する。直流発電装置が十分に発電している時には第一の状態となり、直流電力が高効率で交流電力に変換される。一方、直流発電装置の発電が不十分であってパワーコンディショナが十分に高効率で変換できるような電力値でない場合には、直流発電装置が発電した電力に蓄電機構から放電される電力を加えてパワーコンディショナが十分に高効率で変換できる電力値とする第二の状態、又は直流発電装置が発電した電力を蓄電機構に蓄える第三の状態とし、全体としてのパワーコンディショナの変換効率が高くなるようにする。
蓄電装置は、蓄電時の電力エネルギーに比して放電できる電力エネルギーが小さい。蓄電時の化学反応による熱などの蓄電ロスが発生するためである。蓄電ロスは（（蓄電電力量）−（放電電力量））／（蓄電電力量）で表される。パワーコンディショナの変換効率が最適化された値に対して蓄電ロスより小さい比率でしか低下しないのであれば、直流発電装置の発電する電力を蓄電せずにパワーコンディショナに送電するほうが高い効率となる。
ただし、パワーコンディショナによっては、入力される電圧値又は電流値に依存して交流電力への変換が困難である場合があり、パワーコンディショナに送電しないほうが好ましい。
このように、電力値のみによっては判断しない場合もあるため、電力値による判断を第一の状態を選択するための「必要」条件とし、「必要十分」条件とはしない。
また、蓄電ロスは蓄電機構に依存して定まる。そして、蓄電機構によっては（例えばキャパシタ電池を用いるもの）、蓄電から放電までの時間によって蓄電ロスが変動する、その他蓄電する時点において蓄電ロスを厳密に求めることが容易でない場合も考えられる。そこで、蓄電ロスを厳密に求めずに「予測値」を用いることとする。
以上のように、パワーコンディショナの変換効率を十分に高めることが可能となる。

本発明の交流発電装置は、
前記蓄電機構は、キャパシタ電池と化学反応によって蓄電する二次電池とを併用するものであり、蓄電時には前記キャパシタ電池が先に蓄電され、放電時には前記キャパシタ電池から先に放電されることを特徴とする。

蓄電機構としては、キャパシタ電池と化学反応によって蓄電する二次電池とが考えられる。
蓄電装置をキャパシタ電池とすれば二次電池よりも蓄電ロスが小さくなるので、キャパシタ電池を優先して充電する。一方、キャパシタ電池は長時間の蓄電中に蓄電量が退化してしまうので、先に放電する。
これにより、キャパシタ電池と二次電池とを併用して、蓄電の総量を大きくすると共に、蓄電ロスを小さくすることができる。

本発明の交流発電装置は、
前記状態選択機能は、
前記第一の状態からその他の状態に状態を変更する際に、前記蓄電機構に第一の所定の電力量が蓄電されていれば前記第二の状態に変更し、前記蓄電機構に第二の所定の電力量が蓄電されていなければ前記第三の状態に状態を変更するものであることを特徴とする。

直流発電装置は、短期的に（数分程度）発電電力が低下する場合がある。例えば太陽光発電装置において一時的に日照が弱くなる場合である。短期的な発電電力の低下に対しては、その間の発電量低下分を蓄電された電力によって補うことが好ましい。蓄電機構がキャパシタ電池と化学反応によって蓄電する二次電池とを併用するものであり、放電を即座に開始することのできるキャパシタ電池を活用して効率的に電力を補うことができる。（二次電池では、放電開始までに少なくとも０．１秒程度の時間が必要であり、その間は電力を補うことができない。）
ここで、蓄電機構に蓄電される電力量については、停電等の非常時に備えて一定量を確保したい等の個別ユーザの事情が考えられる。したがって、かかる個別ユーザの事情に反しない限りにおいて、蓄電機構への蓄電と蓄電機構からの放電とを設定できるものとする。
発電電力低下が短期的なものであるか否かを、発電電力が低下した時点において判断することは困難である。そこで、発電電力が低下した時点においては短期的なものであることを前提とし、所定の時間が経過しても発電電力が回復しない場合に短期的なものではないと判断する。

本発明の交流発電装置は、
前記制御機構は、
前記第一の状態において、前記直流発電装置の発電する電力が前記パワーコンディショナの変換効率を最適化するものよりも大きい場合には、前記パワーコンディショナの変換効率を最適化するだけの電力を前記パワーコンディショナに送電し、その余の電力を前記蓄電機構に送電することを特徴とする。

パワーコンディショナの変換効率は、入力電力が最適値より大きな場合にも低下する。その場合には、パワーコンディショナの変換効率を下げてしまう余剰の電力を蓄電装置に送電することが効率的である。特に、直流発電装置が風力発電等の大きな発電電力量の変化を伴うものである場合に、余剰の電力が発生する可能性が高い。

パワーコンディショナの変換効率を高める制御を提供することができる。また、この制御によって発電効率の高い交流発電装置を実現することができる。

図１は、交流発電装置の構成を示す図である。 図２は、制御の状態を示す図である。 図３は、境界値の決め方を示す図である。 図４は、制御機構の処理を示す図である。 図５は、制御機能の代替処理を示す図である。 図６は、蓄電機構の構成を示す図である。

以下、本発明の原理を示す実施例１及び蓄電機構の動作を示す実施例２を示す。

図１は、交流発電装置の構成を示す図である。直流発電装置１、蓄電機構２及びパワーコンディショナ３が設けられ、制御機構４を介して接続されている。制御機構４は、図に点線で示すように直流発電装置１、蓄電機構２及びパワーコンディショナ３を接続することができ、これらの接続／遮断を制御する。

本実施例において、直流発電装置１は太陽光発電装置であり、蓄電機構２はキャパシタ電池と化学反応によって蓄電する二次電池とを併用するものである。
なお、太陽光発電装置である直流発電装置１は、発電素子の電流・電圧特性に基づいて電力量を最大化するための機構（通常はＭＰＰＴによるもの）を備えていてもよい。

図２は、制御の状態を示す図である。実線は回路が接続されていることを、点線は回路が遮断されていることを示す。
（ａ）は、第一の状態であり、直流発電装置１の発電する電力の全てがパワーコンディショナ３に送電される。図において一点鎖線で示す直流発電装置１と蓄電機構２との接続５は、直流発電装置の発電する電力がパワーコンディショナの変換効率を最適化するものよりも大きい場合には接続されて余剰の電力が蓄電装置に送電され、直流発電装置の発電する電力が前記パワーコンディショナの変換効率を最適化するもの以下である場合には遮断される。
（ｂ）は、第二の状態であり、蓄電機構２からパワーコンディショナ３に送電される。直流発電装置１の発電する電力もパワーコンディショナ３に送電される。直流発電装置１と蓄電機構２とからパワーコンディショナ３に送電される電力の和は、パワーコンディショナの変換効率を最適化するものである。
（ｃ）は、第三の状態であり、直流発電装置１の発電する電力の全てが蓄電機構２に送電され、蓄電される。
なお、上記３つの状態は、制御機構４によって随時変更され、直流発電装置１の発電する電力量と蓄電機構２の蓄電量とに追随する。

図３は、境界値の決め方を示す図である。
パワーコンディショナ３の変換効率曲線６は、その最大値における最適化効率（Ｅ）がおよそ０．９８である。この最適化効率Ｅに（１−（蓄電ロスの予測値））を積算した値をｅとする。変換効率がｅとなるような入力電力の値を境界値（Ｔ）とする。このようにして境界値を決定することにより、蓄電する／パワーコンディショナに送電する、の別が、蓄電ロスを考慮して決定される。
なお、境界値を決めるには、蓄電ロスのみでなく、直流発電装置１の発電する電力の時間変化、蓄電機構２の蓄電容量、蓄電及び放電における直流電圧変換、その他の要素を考慮することもできる。必ずしも本実施例の決め方でなくても本発明の目的が達成される。

蓄電ロスは、キャパシタ電池と二次電池とで異なる値である。また、キャパシタ電池の蓄電ロスは、蓄電から放電までの時間に依存して変動し得る。すなわち、キャパシタ電池と二次電池とを併用する場合の蓄電機構全体としての蓄電ロスは明確に定義されるものではない。そこで、蓄電ロスの予測値を用いてｅの値を求める。
蓄電ロスの予測値は、実験的に計測される値を用いることもできる。また、キャパシタ電池と二次電池の残容量を見て、その時点においてキャパシタ電池に蓄電されるならばキャパシタ電池の蓄電ロス（蓄電から放電までの時間を適宜に設定したもの）を、二次電池に蓄電されるならば二次電池の蓄電ロスを用いることとして、各電池の残容量によって変動させてもよい。
本実施例においては、二次電池の蓄電ロスを蓄電ロスの予測値として用いる。蓄電ロスの予測値が大きめに設定されているので、蓄電する場合とパワーコンディショナ３に送電される場合との得失が明らかでない場合はパワーコンディショナ３に送電されることとなる。これにより、将来に蓄電すべき状況になる場合に備えて蓄電機構の容量を多く残しておくことができる。
蓄電ロスの予測値の決め方は、設計事項であり、目的に応じた変更が可能である、必ずしも本実施例の決め方でなくても本発明の目的が達成される。

図４は、制御機構の処理を示す図である。図においてＰは直流発電装置１の発電している電力、Ｔは境界値、Ｃは蓄電機構２に蓄電された電力量（放電可能な電力量）、Ｑは蓄電機構に十分な蓄電がされていると判断する最低の電力量、Ｒは蓄電機構に最低限保持したい所定の電力量である。制御機構４は、Ｐ及びＣを測定する仕組みを有しており、Ｔ、Ｑ及びＲの値を保持している。
制御機構４は以下に示す判断を繰り返しかつ頻繁に（例えば１秒につき1回）行い、３つの状態のうちの１つを選択する。これにより、選択すべき状態が変化したことを短時間で発見することができる。
まず、電流・電圧がパワーコンディショナ３の許容する交流電力への変換が可能な範囲であるか否かを判断する。そうでないならば、第一の状態とすることはない。ここで、電流・電圧は、直流発電装置１の出力する電流・電圧をパワーコンディショナ３に適合するようにＤＣ／ＤＣ変換した後の値とすることが好ましいが、直流発電装置１の出力する電流・電圧そのものを用いて判断することもできる。
電流・電圧が許容範囲内であるならば、Ｐ≧Ｔあるか否かを判断する。Ｐ≧Ｔであれば、パワーコンディショナ３が十分に高効率で変換できるので、第一の状態とする。

Ｐ＜Ｔの場合には、以下のとおりに処理する。
Ｃ＜Ｑであるか否かを判断する。Ｃ≧Ｑであれば蓄電機構に送電して更に蓄電することをせず、第二の状態とする。蓄電機構がフル充電状態でこれ以上蓄電できない場合も考えられ、第三の状態としても蓄電できずに電力ロスとなってしまう可能性もある。Ｑの値は、設計事項として定めればよい。
Ｃ＜Ｑである場合には、Ｃ≧Ｒであるか否かを判断する。Ｃ＜Ｒであれば、蓄電機構２への蓄電をすべく第三の状態とする。Ｃ≧Ｒである場合には、第二の状態としてパワーコンディショナ３に送電する。

Ｃ≧Ｒである場合については、単純に第二の状態としてパワーコンディショナ３に送電するのでなく、以下のようにすることもできる。図５は、制御機構の代替処理を示す図である。
１分間にわたり、第二の状態としてパワーコンディショナ３に送電する。１分の間に直流発電装置１の発電が回復してＰ≧Ｔとなるならば、それまでの間のパワーコンディショナ３への送電を継続させるものである。１分の間に直流発電装置１の発電が回復しない場合には、第三の状態として蓄電機構２への蓄電を行う。ここで、「１分間」とした時間については交流発電装置の設置場所の特性、キャパシタ電池の容量等に基づく設計事項として変更してよい。例えば、キャパシタ電池の容量の限りで第二の状態とするとした場合について検討する。近年は、１００Ｗｈ程度の蓄電が可能なキャパシタ電池も存在する。かかるキャパシタ電池を用いるとし、パワーコンディショナ３の発電する交流電力（交流発電機の設置される家庭の利用契約又は売電契約）を１００Ｖ、２０Ａまでとするならば、約３分の電力がキャパシタ電池に蓄電される。「１分間」でなく「３分間」とする設計も可能である。なお、短時間の放電を二次電池にも行わせることとすれば、「数時間」とする設計も可能である。
このような制御により、充電ロスの小さなキャパシタ電池を繰り返し使用してさらに発電効率を高めることができる。

以上に述べた構成及び制御によって、発電効率の高い交流発電装置が実現される。
また、本発明はパワーコンディショナの変換効率に鑑みて発電効率の最適化を図ったものであるが、電力需要全体を考えればパワーコンディショナに送電することの得失はパワーコンディショナの変換効率以外の要素も考えられる。例えば電力需要がなく、かつ、売電が困難である場合には、パワーコンディショナの変換効率が高くてもパワーコンディショナに送電せずに蓄電するほうが経済的に有利な場合も考え得る。制御機構４は、パワーコンディショナの変換効率以外の要素を考慮して設計してもよい。

本実施例は、蓄電機構２の動作を示すものである。交流発電装置の構成は実施例１と同様である。

図６は、蓄電機構の構成を示す図である。
蓄電機構２は、キャパシタ電池２１及び二次電池２２を備え、これらが切替機構２３を介して制御機構４の回線に接続されている。
切替機構２３は、キャパシタ電池２１及び二次電池２２の残容量を知る手段を有し、制御機構４に残容量を伝達する。

蓄電時において、切替機構２３は、キャパシタ電池２１の残容量に余裕があれば（さらに蓄電可能であれば）、キャパシタ電池２１を回線に接続して蓄電させる。余裕がなければ、二次電池２２を回線に接続して蓄電させる。
放電時において、切替機構２３は、キャパシタ電池２１の残容量があれば（放電可能であれば）、キャパシタ電池２１を回線に接続して放電させる。残容量がなければ、二次電池２２を回線に接続して放電させる。

発電効率の高い交流発電装置であり、多くの家庭及び発電事業者による利用が考えられる。

１ 直流発電装置
２ 蓄電機構
３ パワーコンディショナ
４ 制御機構

Claims (4)

1. 直流発電装置と、
   直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナと、
   直流電力を蓄電する蓄電機構とを備える交流発電装置において、
   前記直流発電装置、前記パワーコンディショナ及び前記蓄電機構の間の送電を制御する制御機構を備え、
   前記制御機構は、
   前記直流発電装置の発電する電力のみを前記パワーコンディショナに送電する第一の状態と、
   前記直流発電装置の発電する電力の全て及び前記蓄電機構の放電する電力を前記パワーコンディショナに送電する第二の状態と、
   前記直流発電装置の発電する電力の全てを前記蓄電機構に送電する第三の状態と
   を少なくとも含む複数の状態のうちの１つを選択する状態選択機能を備え、
   前記状態選択機能は、前記第一の状態を選択するための必要条件として、前記直流発電装置の発電に係る電力値が所定の境界値以上であることを少なくとも要求し、
   前記境界値は前記パワーコンディショナの変換効率を最適化する値よりも小さな値であり、前記境界値における前記パワーコンディショナの変換効率の前記最適化の場合に対する低下率が前記蓄電機構の蓄電ロスの予測値よりも大きいものであることを特徴とする、交流発電装置。
2. 前記蓄電機構は、キャパシタ電池と化学反応によって蓄電する二次電池とを併用するものであり、蓄電時には前記キャパシタ電池が先に蓄電され、放電時には前記キャパシタ電池から先に放電されることを特徴とする、請求項１に記載の交流発電装置。
3. 前記状態選択機能は、
   前記第一の状態からその他の状態に状態を変更する際に、前記蓄電機構に第一の所定の電力量が蓄電されていれば前記第二の状態に変更し、前記蓄電機構に第二の所定の電力量が蓄電されていなければ前記第三の状態に状態を変更するものであることを特徴とする、請求項２に記載の交流発電装置。
4. 前記制御機構は、前記第一の状態において、前記直流発電装置の発電する電力が前記パワーコンディショナの変換効率を最適化するものよりも大きい場合には、前記パワーコンディショナの変換効率を最適化するだけの電力を前記パワーコンディショナに送電し、その余の電力を前記蓄電機構に送電することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の交流発電装置。

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