JP2014106935A

JP2014106935A - 発電システム

Info

Publication number: JP2014106935A
Application number: JP2012261774A
Authority: JP
Inventors: Naoki Taoda; 直樹峠田; Masaru Nakatsuka; 勝中塚; Seiji Uchikura; 政治内倉
Original assignee: Noritz Corp
Current assignee: Noritz Corp
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2014-06-09

Abstract

【課題】蓄電部を併用する太陽光発電システムにおいて、太陽光発電パネルからの発電電力を変換するためのパワーコンディショナを蓄電部からの電力の変換にも共用することにより、システム構成の簡素化、コスト低減を図る。
【解決手段】太陽光発電部１と蓄電部２とを並列接続してなる電力源と、該電力源からの入力電力を変換して出力するコンバータ３１と、該コンバータ３１の入力電力制御を所定の制御方法によって行う制御部３３とを備え、制御部３３は、所定の条件を満たしたときにコンバータ３１の入力電力の電力源が太陽光発電部１であるか蓄電部２であるかを判定する電力源判定制御を行い、太陽光発電部１から電力供給されているときは入力電力制御の制御方法としてＭＰＰＴ制御を行い、蓄電部２から電力供給されているときは定電流制御若しくは負荷に応じた出力制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電池を併用する太陽光発電システムに関する。

この種従来の蓄電池併用太陽光発電システムとして、例えば下記の特許文献１又は２に開示されたものがある。

特許文献１に開示された発電システムでは、太陽光発電部と蓄電池とを並列接続してなる電力源と、該電力源からの入力電力を変換して出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、該コンバータの入力電力制御として最大電力追尾動作モード若しくは出力制御動作モードのいずれかを実行する制御部とを備えている。この従来の発電システムでは、上記コンバータの動作モードの切替えを蓄電池の充電量（ＳＯＣ）情報に基づいて行うとともに、該充電量情報に基づいて蓄電池が満充電であると判定されたときはスイッチ素子の遮断によって蓄電池をコンバータから切り離し、太陽光発電電力のみがコンバータに供給されるように構成されたものである。即ち、特許文献１記載の発電システムは、制御部による意図的かつ積極的な制御によって蓄電池からの電力供給を受けるか否かを選択し、これに伴うコンバータの入力電力制御の動作モードの切替えを行うものとなっている。

また、特許文献２に開示された発電システムは、太陽光発電用のＤＣ／ＤＣコンバータ（７）と、蓄電池用のＤＣ／ＤＣコンバータ（３３）を別に設けて、これら２つのコンバータの出力を並列に接続してインバータ（４）に入力させたものである。

国際公開第２０１０−１２５８７８号公報特開２０１１−９７８１７号公報

ところで、上記特許文献１においても言及されているように（特許文献１の段落番号０００２参照）、太陽電池に蓄電池を並列接続した従来の太陽光発電システムでは、太陽電池が蓄電池電圧に規定されて動作するために、ＤＣ／ＤＣコンバータが最大電力点追尾動作を行えないという問題があった。

かかる問題解決のために特許文献１記載の技術では蓄電池の充電状態によって蓄電池を切り離した上で最大電力点追尾制御を行うように構成しているが、システム構成によっては蓄電池の切り離し制御を行うためにコントローラの制御部と蓄電池の充放電コントローラなどとの間で通信を行うことが必要になることがあり、システム構成の複雑化やコスト増を招く要因となる。

一方、特許文献２に記載の発電システムのように、蓄電部用のコンバータを太陽光発電用のコンバータとは別に設けると、コンバータを二重に設ける必要があり、コスト増を招くという問題がある。

そこで、本発明は、電力源が太陽光発電部か蓄電部かによる入力電力の電力特性の違いに基づいてコンバータが自動的に電力制御方法を変更するように制御構成することによって、システム構成の簡素化を図りつつも蓄電部を並列接続することを可能とし、これによりコスト低減を図ることのできる発電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、次の技術的手段を講じた。

すなわち、本発明は、太陽光発電部と蓄電部とを並列接続してなる電力源と、該電力源からの入力電力を変換して出力するコンバータと、該コンバータの入力電力制御を所定の制御方法によって行う制御部とを備える発電システムにおいて、前記制御部は、所定の条件を満たしたときに前記入力電力のＶ−Ｉ特性に基づいて該入力電力の電力源が太陽光発電部であるか蓄電部であるかを判定する電力源判定制御を行い、該判定結果に応じて前記入力電力制御の制御方法を変更するように構成されていることを特徴とするものである（請求項１）。

かかる本発明の発電システムによれば、太陽光発電部と蓄電部とが並列に接続されており、太陽光発電部から供給される太陽光発電電力の電圧が蓄電部から供給される電力の電圧よりも高いときは太陽光発電部が電力源として太陽光発電電力がコンバータに入力され、一方、夜間など蓄電部から供給される電力の電圧の方が高くなるときは該電力がコンバータに入力される。そして、コンバータの制御部に電力源判定機能を持たせたので、太陽光発電部や蓄電池の状態などを監視せずとも、通常動作時の上記入力電力制御を瞬間的に中断して入力電力のＶ−Ｉ特性を測定するために上記電力源判定制御を行うことによって、入力電力の電力源が太陽光発電部であるか蓄電部であるかを判定することができ、この判定結果に応じて電力源に応じた最適な入力電力制御を行うことが可能である。

なお、電力源が太陽光発電部であるときの入力電力制御の制御方法としては、最大電力点追尾制御とするのが好ましく、最大電力点追尾制御としては、いわゆる山登り法や瞬時スキャン法など適宜の方法を採用できる。一方、電力源が蓄電部であるときの入力電力制御の制御方法としては、コンバータの出力側に接続される電力負荷に応じた制御とするのが好ましく、その一方、過電流を防止するために最大電流量を設定しておき該最大電流量に到達した場合にはその最大電流量で定電流制御を行うことが好ましい。

上記本発明の発電システムにおいて、前記電力源判定制御における判定は、電力源からコンバータへの入力電流を漸次増加させたときの入力電圧の変化特性に基づいて行うように構成することができる（請求項２）。すなわち、入力電力の電力源が蓄電部であるときは入力電力の電流と電圧とは、図２に示すようにほぼ一次関数的に変位し、電流を増加させるにしたがって徐々に電圧が降下するという特性を示す。なお、満充電状態に近いほど電圧が全体的に上昇し、放電するにしたがって電圧が徐々に降下するが、いずれの充電状態においてもＶ−Ｉ特性としてはさほど変化しない。一方、入力電力の電力源が太陽電池発電部であるときは、入力電力の電流と電圧とは、図３のＶ−Ｉ曲線に示すように変化し、電流がある短絡電流Ｉ_SCに近づくにつれて電圧が急激に降下するという特性を示す。したがって、入力電流を漸次増加させていくことで入力電圧の変化特性を測定し、これに基づいて判定を行うことによって、判定を迅速かつ正確に行うことができる。

さらに具体的には、前記電力源判定制御は、電力源からコンバータへの入力電流を増加させたときの電流増分ΔＩに対する入力電圧の変動量ΔＶの比ΔＶ／ΔＩが所定値以上であることが検出されると入力電力の電力源が太陽光発電部であると判定するものとすることができる（請求項３）。これによれば、電力源の判定をより迅速かつ正確に行うことができる。

また、好ましくは、前記コンバータは、パワーコンディショナに内蔵されるＤＣ−ＤＣコンバータである（請求項４）。これによれば、パワーコンディショナの構成の簡素化とコスト低減とを図ることができ、一般家庭への太陽光発電システムの普及に寄与することができる。

以上説明したように、本発明の請求項１に係る発電システムによれば、太陽光発電部と蓄電部とが並列に接続されており、太陽光発電部から供給される太陽光発電電力の電圧が蓄電部から供給される電力の電圧よりも高いときは太陽光発電部が電力源として太陽光発電電力がコンバータに入力され、一方、夜間など蓄電部から供給される電力の電圧の方が高くなるときは該電力がコンバータに入力される。そして、コンバータの制御部に電力源判定機能を持たせたので、太陽光発電部や蓄電池の状態などを監視せずとも、通常動作時の上記入力電力制御を瞬間的に中断して入力電力のＶ−Ｉ特性を測定するために上記電力源判定制御を行うことによって、入力電力の電力源が太陽光発電部であるか蓄電部であるかを判定することができ、この判定結果に応じて電力源に応じた最適な入力電力制御を行うことが可能である。

また、本発明の請求項２に係る発電システムによれば、入力電流を漸次増加させていくことで入力電圧の変化特性を測定し、これに基づいて電力源の判定を行うことによって、判定を迅速かつ正確に行うことができる。

また、本発明の請求項３に係る発電システムによれば、電力源の判定をより迅速かつ正確に行うことができる。

また、本発明の請求項４に係る発電システムによれば、パワーコンディショナの構成の簡素化とコスト低減とを図ることができ、一般家庭への太陽光発電システムの普及に寄与することができる。

本発明の発電システムのブロック構成図である。蓄電池のＶ−Ｉ特性を示すグラフである。太陽電池のＶ−ＩおよびＶ−Ｐ特性を示すグラフである。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る発電システムを示し、該発電システムは、太陽光発電部１と蓄電部２とを並列接続してなる電力源と、該電力源からの入力電力を系統電力に連系する交流電力に変換して出力するパワーコンディショナ３とを備えており、家庭内や構内の電気負荷４に対してパワーコンディショナ３の出力電力が供給されるとともに、太陽光発電電力の余剰電力を系統に逆潮流させることで売電可能に構成されている。

上記太陽光発電部１と蓄電部２とは、それぞれの出力状態に応じていずれか一方が電力源となってパワーコンディショナ３に電力を供給するように構成されている。具体的には、太陽光発電部１は、複数の太陽光発電パネル５と、この複数の太陽光発電パネル５の出力を集約する接続箱６とを備えている。この接続箱６は、例えば、所定枚数（例えば３枚）の太陽光発電パネル５を一組のユニットとして直列に接続して所望の電圧が得られるようにし、複数組のユニットを並列に接続することで発電電力を集約してパワーコンディショナ３に出力するものである。なお、太陽光発電パネルの枚数が半端な数であっても対応可能とする昇圧機能付きのものを用いることもでき、この場合、半端となった太陽光発電パネル５の出力電圧を昇圧することによって上記ユニットに並列に接続できる。日中における接続箱６からの出力電圧は、後述するＭＰＰＴ制御中におよそ２００Ｖ〜３００Ｖ程度となるように構成されている。

一方、蓄電部２は、リチウムイオン電池などから主構成される蓄電池７と、充放電コントローラ８とを備え、該充放電コントローラ８は、接続箱６とパワーコンディショナ３との配線部と蓄電池７との間に介設されている。充放電コントローラ８は種々の構成とすることができ、本発明はこの充放電コントローラの構成を特定のものに限定するものではない。すなわち、蓄電池７を太陽光発電電力によって充電する構成としてもよく、また、パワーコンディショナ３を双方向コンバータと双方向インバータとによって主構成することにより系統電力によって蓄電池７を充電する構成とすることもできる。系統電力により蓄電池７を充電する構成とした場合には、日中の太陽光発電電力の余剰電力（＝発電電力−負荷電力）を売電することができるとともに、安い深夜電力によって充電した蓄電電力を夕方から深夜電力時間帯になるまでの時間帯に負荷へ電力供給可能である。

また、充放電コントローラ８は、蓄電池７の状態を監視して、蓄電池７が満充電時には過充電保護のために充電電流を遮断するように構成することができ、また、蓄電池７の放電が進み残量が少なくなった場合には過放電保護のために蓄電池からの出力電流を遮断するように構成することもできる。

蓄電池７の出力電圧は、パワーコンディショナ３の入力電圧範囲内であって、且つ、上記接続箱６からの出力電圧よりもかなり低い電圧とされ、例えば１００Ｖ程度とされている。なお、蓄電池７として１２Ｖや２４Ｖの入出力電圧のものを用いる場合には、充放電コントローラ８に双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（昇圧コンバータと降圧コンバータとを組み合わせたものでもよい）を内蔵し、太陽光発電部１若しくはパワーコンディショナ３から蓄電池７へ電流が流れる際には蓄電池７の入出力電圧範囲まで降圧し、蓄電池７からパワーコンディショナ３へ電力供給する際にはパワーコンディショナ３の入力電圧範囲まで昇圧するように構成することができる。ただし、昇圧出力制御中であっても、太陽光発電部１の出力電圧が高いときには電流が出力されず、太陽光発電部１の出力電圧が低下したときに充放電コントローラ８から電流がパワーコンディショナ３へ出力されるようになる。

上記パワーコンディショナ３は、従来周知の種々のものを採用でき、上記電力源から供給される入力電力を昇圧・安定化して出力するＤＣ／ＤＣコンバータ３１と、該コンバータ３１の出力をＤＣ／ＡＣ変換して商用系統電力に系統連系する交流電力を出力するインバータ３２と、これらコンバータ３１及びインバータ３２を制御する制御部３３とを備えている。また、コンバータ３１の入力電力の電圧を測定する電圧センサ、該入力電力の電流を測定する電流センサを備え、これらセンサの検出信号をＤ／Ａ変換して制御部３３に入力し、制御部３３はこれら入力データに基づいて入力電力を演算によって求めることができるように構成されている。

制御部３３は、マイコンなどによって構成されるものであり、コンバータ３１への入力電力の電流量を制御することによってインバータ３２への出力電力制御を行うように構成され、かかるコンバータ３１の入力電力制御としては、太陽光発電電力用のものとしては最大電力点追尾制御（ＭＰＰＴ制御）が周知であり、蓄電池電力用のものとしては定電流制御もしくは負荷電力量追従制御が周知である。これらの回路構成や制御方法については従来周知であるので詳細説明を省略するが、太陽光発電に由来する電力は売電することが可能であり、蓄電池への充電を太陽光発電電力のみによって行う場合には蓄電池からの供給電力であっても売電可能であるから、この場合には蓄電池を電力源としている場合であっても負荷電力量追従制御を行う必要はなく、常時定電流制御を行ってもよい。

本実施形態に係る発電システムにおいては、制御部３３は、所定の条件を満たしたときに入力電力のＶ−Ｉ特性に基づいて該入力電力の電力源が太陽光発電部１であるか蓄電部２であるかを判定する電力源判定制御を行い、該判定結果に応じて入力電力制御の制御方法を太陽光発電電力用のものと蓄電池電力用のもののうちいずれかに設定するように構成されている。

かかる判定を行う所定の条件としては、パワーコンディショナ３の電源投入時や動作中断が解除されたとき（例えば、異常からの復帰やユーザー操作などがなされたとき）などの出力動作開始するときを十分条件として含むことができる。さらに、本実施形態の発電システムでは、制御部３３が太陽光発電部１や蓄電部２と通信したりこれらを直接動作制御するものではない一方で、日射条件の変化などによって電力源が太陽光発電部１と蓄電部２との間で変動することを前提とするシステムであるから、かかる電力源が変わったことを検知する必要がある。太陽光発電部１や蓄電部２に設けた各種センサと制御部３３とを通信接続することによって電力源が変わったことを検知することも可能であるが、配線等が煩雑であるとともに通信のための機器構成や配線の施工費用などによりコスト増となるため、入力電力自体の変動状態に基づく条件を上記判定開始条件として設けておくことが好ましい。例えば、夜明けや日没の前後や、急に天候が悪化して日射条件が急変した場合などは、電力源が太陽光発電部１と蓄電部２との間で切り替わることによって入力電力特性が急変し、これによってパワーコンディショナ３の入力電力及び出力電力が瞬間的に制御部３３による制御目標値から比較的大きく変動する。従って、例えば発電出力（パワーコンディショナ３への入力電力若しくは出力電力）が制御目標値から±１０％以上変動するなど、入力電流制御中であるにもかかわらず発電出力が制御目標から一定以上変動したことを検出したときを、上記判定開始の十分条件として含むことができる。

次に、電力源判定制御の具体例について、蓄電池７と太陽光発電パネル５のそれぞれの電圧−電流特性を参照しつつ説明する。図２は、蓄電池７の電圧−電流特性を示しており、図に示すように、蓄電池７の場合は放電電流を上昇させていってもさほど電圧降下は大きくなく、電圧−電流曲線（Ｖ−Ｉ曲線）はほぼ一次関数的に推移する。なお、満充電時から放電が進むにつれ電圧−電流曲線は全体的に電圧が下がる傾向にあるが、電圧−電流特性として大きな変化は見られない。したがって、蓄電池７の場合には、放電電流を増加させれば増加させるほど出力電力が大きくなるという特性を示す。したがって、コンバータ３１の入力電力の電力源が蓄電部２であるときは、電流を所定量ずつ増加させていっても電流増加前後の電圧降下量はほぼ一定となる。

一方、図３は、太陽光発電パネル５の電流−電圧曲線（Ｖ−Ｉ曲線）および電圧−電力曲線（Ｖ−Ｐ曲線）を示している。ここで、Ｖ_OCは開放電圧、Ｉ_SCは短絡電流、Ｐ_maxは最大電力点の電力、Ｖ_pmaxは最大電力点の電圧、Ｉ_pnaxは最大電力点の電流である。また、このＶ−Ｉ曲線及びＶ−Ｐ曲線は日射量の変化や、太陽光パネルの表面温度や周囲温度の影響などを受けて変化し、日射量が減ると短絡電流（Ｉ_SC）が小さくなり、太陽光パネルの温度が上がったときは開放電圧（Ｖ_OC）が小さくなるため、どちらの場合もＶ−Ｉ曲線が小さくなり、最大電力点（発電電力）も小さくなる。また、太陽光パネル５のＶ−Ｉ曲線は、最大電力点を超えると僅かな電流の増加によって電圧が大きく降下するという特性を示す。

したがって、電力源判定制御としては、所定の判定開始電流値（０であってもよいが、迅速に判定を終了するために発電出力可能な最低日射量のときの最大電力点付近の電流値とすることもできる。）から開始して所定の判定終了電流値（たとえば、最大日射量のときの短絡電流値とすることができる。）に至るまで、所定の増分ΔＩずつコンバータ３１への入力電流を増加させていき、入力電流を所定の増分ΔＩだけ増加させたときに入力電圧が所定の変動量ΔＶ以上降下したことを検出したときは、入力電力の電力源が太陽光発電部１であると判定する。一方、判定終了電流値まで電流を増加させても入力電圧の変動量ΔＶに大きな変動が見られなかった場合は、入力電力の電力源が蓄電部２であると判定する。

なお、蓄電部２から電力供給がなされている場合、負荷４で消費されている電力量が低く、かつ、蓄電部２から系統への逆潮流が禁止されている状況では、電力源判定制御によって入力電流を増加させる制御を行っても電流は増加していかないため、電力源判定制御を正確に実行できない場合があるが、このような場合に備えてコンバータ３１にダミー負荷を接続しておき、電力源判定制御時にはダミー負荷に対して電力出力するように構成することによって、電力源判定制御による判定を確実に行わせるように構成することも可能である。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、適宜設計変更できる。例えば、太陽光発電部１から電力供給がなされているときであっても、最大電力点追尾制御を行わず、電力負荷に応じて出力電力を制御する自立型の負荷追従制御を行うように制御部が構成されていてもよい。この場合、余剰電力によって蓄電池７を充電するように充放電コントローラ８を構成することもできる。また、ＭＰＰＴ制御は、従来より広く実用化されているいわゆる山登り法によって行ってもよく、また、瞬時スキャン法などの他の制御方法を採用してもよい。

また、本願の充放電コントローラ８は、その出力部に、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを備えることができる。充放電コントローラ８は、例えば、パワーコンディショナ３との通信を行うことなく、充放電コントローラ８の出力側の検出電圧や蓄電池７の検出残蓄電量に基づいて、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの制御を行うことで、出力電圧の調整を行うことができる。

１太陽光発電部
２蓄電部
３パワーコンディショナ
３１コンバータ
３３制御部

Claims

太陽光発電部と蓄電部とを並列接続してなる電力源と、該電力源からの入力電力を変換して出力するコンバータと、該コンバータの入力電力制御を所定の制御方法によって行う制御部とを備える発電システムにおいて、
前記制御部は、所定の条件を満たしたときに前記入力電力のＶ−Ｉ特性に基づいて該入力電力の電力源が太陽光発電部であるか蓄電部であるかを判定する電力源判定制御を行い、該判定結果に応じて前記入力電力制御の制御方法を変更するように構成されていることを特徴とする発電システム。
請求項１に記載の発電システムにおいて、前記電力源判定制御における判定は、電力源からコンバータへの入力電流を漸次増加させたときの入力電圧の変化特性に基づいて行うように構成されていることを特徴とする発電システム。
請求項２に記載の発電システムにおいて、前記電力源判定制御は、電力源からコンバータへの入力電流を増加させたときの電流増分に対する入力電圧の変動量の比が所定値以上であることが検出されると入力電力の電力源が太陽光発電部であると判定するものであることを特徴とする発電システム。
請求項１，２又は３に記載の発電システムにおいて、前記コンバータは、パワーコンディショナに内蔵されるＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする発電システム。