JP2014230455A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電池からの逆潮流を防止しつつ、インバータの許容能力や契約電力を超えることによって生じる障害を防ぎ、消費電力の低減も行う発電装置を提供する。【解決手段】この発電装置は、系統とＡＣラインを介して接続され、電力の直流・交流を変換するインバータと、太陽光発電手段と、前記太陽光発電手段の発電電力を調整して前記インバータに供給する第１コンバータと、電力貯蔵手段と、前記電力貯蔵手段の充放電を制御してＤＣバス電圧を一定に保つ第２コンバータと、前記ＡＣラインに接続された宅内負荷の負荷電力を計測する計測手段と、前記太陽光発電手段の発電電力と、前記計測手段にて計測された前記宅内負荷電力と、前記電力貯蔵手段の充電又は放電能力に基づいて前記インバータを制御する制御手段を具備する。前記制御手段は、前記電力貯蔵手段が放電状態の時に、前記太陽光発電手段の発電量に応じて前記インバータの交流出力電力を直流側の許容入力電力以内で制御し、システムの停止を防止する。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電設備と蓄電池を有する家庭用発電装置に関する。

ＣＯ2削減や、電力会社からの買電量削減、停電時の非常用電源としての目的で、太陽光発電などの再生可能エネルギーや、蓄電池などの電力貯蔵手段の家庭への導入が進められている。太陽光発電の電力は系統へ逆潮流することで電力会社に売電が可能だが、蓄電池に蓄えられた電力は逆潮流しないことが必須項目とされている。そこで、太陽光発電の電力のみを逆潮流するシステムが提案されている。

特許第４７６５１６２号公報

従来においては、図１３に示すように蓄電池（ＢＡＴ）用のコンバータのみを制御する。一般にインバータの許容入力電力は、太陽光発電設備（ＰＶ）の最大発電電力に合わせて設計されるため、蓄電池放電と太陽光の発電時に、太陽光の急激な変動などにより系統と接続されているインバータの入力電力が許容能力を超えてしまい、システム全体が停止してしまう危険性がある。また、蓄電池が充電状態であるときに、契約電力以上の電力（充電電力）をインバータが系統に要求することにより、停電してしまう（ブレーカが落ちる）虞も有している。また、インバータはいかなる場合も動作しているため、消費電力を費やしてしまう。

実施形態は上述した課題を解決するためになされたものであり、蓄電池からの逆潮流を防止しつつ、インバータの許容能力や契約電力を超えることによって生じる障害を防ぐことを可能とし、消費電力の低減も行う発電装置を提供することを目的とする。

一実施形態に係る発電装置は、系統とＡＣラインを介して接続され、電力の直流・交流を変換するインバータと、太陽光発電手段と、前記インバータとＤＣバスを介して接続され、前記太陽光発電手段の発電電力をＭＰＰＴ制御にて調整して、前記インバータに前記ＤＣバスを介して供給する第１コンバータと、電力貯蔵手段と、前記ＤＣバスに接続され、前記電力貯蔵手段の充放電を制御してＤＣバス電圧を一定に保つ第２コンバータと、前記ＡＣラインに接続された宅内負荷の負荷電力を計測する計測手段と、前記太陽光発電手段の発電電力と、前記計測手段にて計測された前記宅内負荷電力と、前記電力貯蔵手段の充電又は放電能力に基づいて前記インバータを制御する制御手段を具備する。前記制御手段は、前記電力貯蔵手段が放電状態の時に、前記太陽光発電手段の発電量に応じて前記インバータの交流出力電力を直流側の許容入力電力以内で制御し、システムの停止を防止する。

第１実施形態に係る発電装置システムの構成図である。 太陽光発電電力が大きく、押上効果を有する逆潮流が認められている場合（モード１ａ）の動作を説明するための図である。 太陽光発電電力が大きく、押上効果を有する逆潮流が認められていない場合（モード２ａ）の動作を説明するための図である。 系統への逆潮流を行わない場合（モード３ａ）の動作を説明するための図である。 太陽光発電電力が０または小さい場合（モード４ａ）の動作を説明するための図である。 第１実施形態の制御フローチャートを示す図である。 第２実施形態に係る蓄電池充電時の基本構成及び動作を示す図である。 太陽光発電電力が小さい場合の充電制御動作（モード１ｂ）を説明する図である。 太陽光発電電力が大きい場合の充電制御動作（モード２ｂ）を説明する図である。 系統への逆潮流を行わない場合の充電制御動作（モード３ｂ）を説明する図である。 第２実施形態の制御フローチャートを示す図である。 第３実施形態に係るインバータの停止動作を説明する図である。 蓄電池（ＢＡＴ）用のコンバータのみを制御する従来の発電装置の構成図である。

以下、実施形態に係る発電装置について、図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
（構成）
図１は第１実施形態に係る発電装置システムの構成図である。

本システムは、交流で配電される交流系統１１と、系統とＡＣラインで接続され電圧の直流／交流又は交流／直流変換を行うインバータ１２と、太陽光発電設備（ＰＶ）１３と、太陽光発電設備１３の出力電圧を調整するコンバータ１４と、電力貯蔵手段（ＢＡＴ）１５と、電力貯蔵手段１５用のコンバータ１６と、ＡＣラインに接続される宅内負荷１７と、宅内負荷電力の計測手段１８と、インバータ１２を制御する制御装置１９を含む。太陽光発電コンバータ（ＰＶコンバータ）１４の出力と電力貯蔵手段コンバータ（ＢＡＴコンバータ）１６の出力は共通ＤＣバス上で接続される。この時、電力貯蔵手段１５の出力電圧がＤＣバス電圧と同一であれば電力貯蔵手段コンバータ１６は省略することが可能である。

（作用）
この構成において、電力貯蔵手段コンバータ１６は昇降圧チョッパであって、ＤＣバス電圧を一定に保つ制御を行う。ＤＣバス電圧は例えばＤＣ３６０Ｖ程度である。従って、ＤＣバス電圧が所定の値より大きくなれば電力貯蔵手段１５は充電を行い、小さくなれば放電する。太陽光発電コンバータ１４はＭＰＰＴ(Maximum Power Point Tracking)制御を行い、例えば昇圧チョッパである。系統電圧はＡＣ１００ＶあるいはＡＣ２００Ｖである。制御装置１９は太陽光発電の発電電力、負荷電力、電力貯蔵手段の充放電能力の値を取得する。取得した状況に応じて制御装置１９は、インバータ１２のＡＣ出力電力又はＡＣ入力電力を算出し、算出したＡＣ出力電力を出力するように、あるいはＡＣ入力電力を入力するようにインバータ１２を制御する。

一実施形態として、電力貯蔵手段１５が放電状態であり、太陽光発電の発電電力に応じた制御装置１９による制御を以下に述べる。また、説明においてインバータ１２の交流出力電力をＡＣ＿ｏｕｔ、交流入力電力をＡＣ＿ｉｎ、太陽光発電電力をＰＶ＿ｏｕｔ、電力貯蔵手段１５の放電能力をＢａｔ＿ｏｕｔ、充電能力をＢａｔ＿ｉｎ、負荷電力をＬｏａｄとし、ｍｉｎ（ｘ，ｙ）と記述した際は、ｘとｙの値が小さい方を示すものとする。

（モード１ａ）図２に示すように、太陽光発電電力が大きく（黒の太い矢印）、電力会社との契約で電力貯蔵手段１５からの押上効果を有する逆潮流が認められている場合は、電力貯蔵手段１５で宅内負荷電力を補い、太陽光発電で発電した電力を全て系統へ逆潮流するのが最適である。尚、「押上効果を有する逆潮流」とは、電力貯蔵手段１５を放電しつつ、かつ太陽光発電電力の全てを系統に供給する逆潮流を示す。また、太陽光発電電力が大きいとは、例えば太陽光発電電力が宅内負荷電力Ｌｏａｄより大きいことを示す。この場合、制御装置１９はインバータ１２の出力電力ＡＣ＿ｏｕｔを、
AC_out=PV_out+min(Bat_out, Load） （１）
とする。例えば、太陽光発電電力ＰＶ＿ｏｕｔが３ｋＷ、電力貯蔵手段の放電能力が３ｋＷ、負荷電力Ｌｏａｄが２ｋＷのとき、制御装置１９は、出力電力ＡＣ＿ｏｕｔが５ｋＷになるようにインバータ１２を制御する。尚、インバータ１２の出力電力ＡＣ＿ｏｕｔは、後述されるモードでも同様であるが、常にインバータ１２の直流側の許容入力電力を超えないように制御される。

ここで、宅内負荷の急激な変動による宅内負荷電力計測手段１８の計測誤差ΔＷを考慮すると、
AC_out=PV_out+min(Bat_out, Load-ΔW) （２）
とする。このように計測誤差ΔＷを考慮することで、より確実に電力貯蔵手段１５からの逆潮流を防止することが可能である。尚、式（２）では、宅内負荷電力Ｌｏａｄから計測誤差ΔＷを減算した値（Ｌｏａｄ−ΔＷ）を採用したが、宅内負荷電力Ｌｏａｄに計測誤差ΔＷ（ΔＷ＜１）を乗算した値（Ｌｏａｄ×ΔＷ）を採用してもよい。

（モード２ａ）図３に示すように太陽光発電電力が大きく、電力会社との契約で電力貯蔵手段１５からの押上効果を有する逆潮流が認められていない場合、すなわち、逆潮流するときは電力貯蔵手段１５の放電が認められない場合、制御装置１９は電力貯蔵手段コンバータ１６を停止し、太陽光発電電力で宅内負荷電力を補い、負荷に対して余剰した分を逆潮流する。つまり、
AC_out=PV_out （３）
となる。このとき、宅内負荷電力Ｌｏａｄが太陽光発電電力ＰＶ＿ｏｕｔより大きい場合、不足分の電力は系統から宅内負荷へ供給される。

（モード３ａ）図４に示すように、系統への逆潮流を行わない場合は、インバータ１２から宅内負荷電力以上の電力を供給してはいけない為、
AC_out=min(PV_out+Bat_out, Load) （４）
となる。このとき、例えば宅内負荷電力Ｌｏａｄが２ｋＷ、太陽光発電電力ＰＶ＿ｏｕｔが３ｋＷの場合、ＤＣバスの電圧が上がるので、余剰分の１ｋＷは電力貯蔵手段１５に充電される。また、宅内負荷電力Ｌｏａｄが太陽光発電電力ＰＶ＿ｏｕｔと電力貯蔵手段の放電能力Ｂａｔ＿ｏｕｔの和（ＰＶ＿ｏｕｔ＋Ｂａｔ＿ｏｕｔ）より大きい場合は、不足分の電力は系統から宅内負荷１７へ供給される。

また、負荷の急激な変動による宅内負荷電力計測手段の計測誤差ΔＷを考慮すると式（４）は、
AC_out=min(PV_out+Bat_out, Load-ΔW) （５）
となり、系統への逆潮流を確実に防止することが可能である。

（モード４ａ）図５に示すように、太陽光発電電力ＰＶ＿ｏｕｔが０または小さい場合は、太陽光発電電力ＰＶ＿ｏｕｔと電力貯蔵手段の放電能力Ｂａｔ＿ｏｕｔの和を宅内負荷１７へ供給し、不足している分を系統から買うのが最適である。つまり、
AC_out= min(PV_ out+Bat_out, Load） （６）
となる。また、負荷の急激な変動による宅内負荷電力計測手段の計測誤差ΔＷを考慮すると式（６）は、
AC_out= min(PV_out+Bat_out, Load-ΔW) （７）
となり、電力貯蔵手段からの逆潮流を確実に防止することが可能である。

上記制御フローチャートを図６に示す。上記ＰＶ＿ｏｕｔの大小比較しきい値Ｘは、前述したように宅内負荷電力でもよいし、予め設定した値（例えば最大発電能力の１０％）としてもよい。

（効果）
系統へ戻す必要のない電力の逆潮流を防止しつつ、インバータの交流出力電力を直流側の許容入力電力以内で制御するため、インバータの入力電力が許容能力を超えることは無く、システムの停止を防止することが可能となる。

［第２実施形態］
（構成）
図７は第２実施形態の構成図である。第２実施形態の構成は上記第１実施形態と同様であるので、構成に関する詳細な説明は割愛する。

第２実施形態の場合、電力貯蔵手段が第１実施形態とは異なり充電状態となっている。以下に、太陽光発電の発電電力に応じた制御装置による制御を、電力貯蔵手段が充電状態に設定されている場合について説明する。本実施形態においても、インバータの交流入力電力をＡＣ＿ｉｎ、交流出力電力をＡＣ＿ｏｕｔ、太陽光発電電力をＰＶ＿ｏｕｔ、電力貯蔵手段の放電能力をＢａｔ＿ｏｕｔ、充電能力をＢａｔ＿ｉｎ、負荷電力をＬｏａｄとし、ｍｉｎ（ｘ，ｙ）と記述した際は、ｘとｙの値が小さい方を示すとする。

（モード１ｂ）図８に示すように電力貯蔵手段１５が制御装置１９により充電に設定され、太陽光発電電力ＰＶ＿ｏｕｔが０または小さい場合、つまり太陽光発電電力ＰＶ＿ｏｕｔが電力貯蔵手段１５の充電能力より小さい場合は、太陽光発電電力を電力貯蔵手段１５へ供給し、不足している分を系統１１から電力貯蔵手段１５へ給電する必要がある。従って、制御装置１９はインバータ１２をＡＣ／ＤＣ変換に設定し、インバータ入力電力ＡＣ＿ｉｎを
AC_in=Bat_in-PV_out （８）
とする。しかし、インバータ１２の供給電力と宅内負荷電力Ｌｏａｄの和が契約電力を超過すると宅内停電する（ブレーカが落ちる）ため、
AC_in=(Bat_in-PV_out, 契約電力-Load) （９）
とすることで宅内停電を防止できる。尚、インバータ１２の入力電力ＡＣ＿ｉｎは、常にインバータ１２の交流許容入力電力を超えないように制御される。

（モード２ｂ）図９に示すように太陽光発電電力ＰＶ＿ｏｕｔが大きい場合は、太陽光発電を電力貯蔵手段１５へ給電し、余剰分をＡＣ側へ給電するため、制御装置１９は、
AC_out=PV_ out-Bat_in （１０）
とする。太陽光発電余剰分が宅内負荷電力Ｌｏａｄより小さければ不足分は系統から補い、太陽光発電余剰分が宅内負荷より大きければ系統へ逆潮流（売電）する。

（モード３ｂ） 図１０に示すように、系統への逆潮流を行わない際は、太陽光発電で電力貯蔵手段を補い、余剰分で負荷を補うのが最適である。しかし逆潮流を行わないため、ＡＣ側へは負荷電力以上は供給してはならない。つまり、
AC_out=min(PV_ out -Bat_in, Load) （１１）
となる。また、負荷の急激な変動による宅内負荷電力計測手段の誤差ΔＷを考慮すると式（１１）は、
AC_out= min(PV_ out -Bat_in, Load-ΔW） （１２）
となり、逆潮流を確実に防止することが可能である。

図１１に上記の制御フローチャートを示す。

（効果）
系統へ戻す必要のない電力の逆潮流を防止しつつ、契約電力を考慮してインバータを制御しているため、契約電力を超えることが無く、宅内停電を防止することが可能となる。

[第３実施形態]
（構成）
図１２は第３実施形態の構成図である。第３実施形態の構成は上記第１実施形態と同様であるので、構成に関する詳細な説明は割愛する。

第３実施形態の場合、上記第１及び第２実施形態の作用に加え更に、太陽光発電電力を電力貯蔵手段１５へ充電し、宅内との電力融通を行わない場合、制御装置１９はインバータ１２を停止する。インバータ１２を停止しても電力貯蔵手段１５と太陽光発電設備１３の間は電力融通を継続する。また、発電装置をスタンバイ状態にするときやメンテナンス時も同様にインバータを停止する。

（効果）
発電装置と宅内で電力融通を行わない場合は、インバータを停止するため消費電力の低下が可能になる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…交流系統、１２…インバータ、１３…太陽光発電設備、１４…太陽光発電コンバータ、１５…電力貯蔵手段、１６…電力貯蔵手段コンバータ、１７…宅内負荷、１８…宅内負荷電力計測部、１９…制御装置。

Claims (10)

1. 系統とＡＣラインを介して接続され、電力の直流・交流を変換するインバータと、
   太陽光発電手段と、
   前記インバータとＤＣバスを介して接続され、前記太陽光発電手段の発電電力をＭＰＰＴ制御にて調整して、前記インバータに前記ＤＣバスを介して供給する第１コンバータと、
   電力貯蔵手段と、
   前記ＤＣバスに接続され、前記電力貯蔵手段の充放電を制御してＤＣバス電圧を一定に保つ第２コンバータと、
   前記ＡＣラインに接続された宅内負荷の負荷電力を計測する計測手段と、
   前記太陽光発電手段の発電電力と、前記計測手段にて計測された前記宅内負荷電力と、前記電力貯蔵手段の充電又は放電能力に基づいて前記インバータを制御する制御手段を具備し、
   前記制御手段は、前記電力貯蔵手段が放電状態の時に、前記太陽光発電手段の発電量に応じて前記インバータの交流出力電力を直流側の許容入力電力以内で制御し、システムの停止を防止することを特徴とする発電装置。
2. 前記制御手段は、前記太陽光発電手段の発電電力が所定値より大きく、電力会社との契約で電力貯蔵手段からの押上効果を有する逆潮流が認められている場合、前記インバータの交流出力電力が、前記電力貯蔵手段の放電能力と前記負荷電力のどちらか小さい方と、前記発電電力との合計値となるように前記インバータを制御することを特徴とする請求項１記載の発電装置。
3. 前記制御手段は、前記太陽光発電手段の発電電力が所定値より大きく、電力会社との契約で電力貯蔵手段からの押上効果を有する逆潮流が認められていない場合、前記第２コンバータを停止し、前記インバータの交流出力電力が前記発電電力となるように前記インバータを制御することを特徴とする請求項１記載の発電装置。
4. 前記制御手段は、前記系統への逆潮流を行わない場合、前記インバータの交流出力電力が、前記発電電力と前記電力貯蔵手段の放電能力との合計値と、前記負荷電力のどちらか小さい方と一致するように前記インバータを制御することを特徴とする請求項１記載の発電装置。
5. 前記制御手段は、太陽光発電電力が所定値より小さい場合、前記インバータの出力電力が、前記発電電力と前記電力貯蔵手段の放電能力との合計値と、前記負荷電力のどちらか小さい方に一致するように前記インバータを制御することを特徴とする請求項１記載の発電装置。
6. 系統とＡＣラインを介して接続され電力の直流・交流を変換するインバータと、
   太陽光発電手段と、
   前記インバータとＤＣバスを介して接続され、前記太陽光発電手段の発電電力をＭＰＰＴ制御にて調整して、前記インバータに前記ＤＣバスを介して供給する第１コンバータと、
   電力貯蔵手段と、
   前記ＤＣバスに接続され、前記電力貯蔵手段の充放電を制御してＤＣバス電圧を一定に保つ第２コンバータと、
   前記ＡＣラインに接続された宅内負荷の負荷電力を計測する計測手段と、
   前記太陽光発電手段の発電電力と、前記計測手段にて計測された前記宅内負荷電力と、前記電力貯蔵手段の充電又は放電能力に基づいて前記インバータを制御する制御手段を具備し、
   前記制御手段は、前記電力貯蔵手段が充電状態の時に、前記太陽光発電手段の発電量に応じて前記インバータの交流入出力電力を制御し、宅内の停電を防止することを特徴とする発電装置。
7. 前記制御手段は、前記発電電力が前記電力貯蔵手段の充電能力より小さい時、前記インバータの交流入力電力が、電力貯蔵手段の充電能力と前記発電電力の差分と、契約電力と負荷電力の差分のどちらか小さい値に一致するように、前記インバータを制御することを特徴とする請求項６記載の発電装置。
8. 前記制御手段は、前記発電電力が前記電力貯蔵手段の充電能力より大きい時、前記インバータの交流出力電力が、前記発電電力と前記電力貯蔵手段の充電能力の差分に一致するように、前記インバータを制御することを特徴とする請求項６記載の発電装置。
9. 前記制御手段は、前記発電電力が前記電力貯蔵手段の充電能力より大きく、系統への逆潮流を行わない場合、前記インバータの交流出力電力を前記発電電力と前記電力貯蔵手段の充電能力との差分と、負荷電力のどちらか小さい方に一致するように前記インバータを制御することを特徴とする請求項６記載の発電装置。
10. 系統とＡＣラインを介して接続され電力の直流・交流を変換するインバータと、
    太陽光発電手段と、
    前記インバータとＤＣバスを介して接続され、前記太陽光発電手段の発電電力を調整して、前記インバータに前記ＤＣバスを介して供給する第１コンバータと、
    電力貯蔵手段と、
    前記ＤＣバスに接続され、前記電力貯蔵手段の充放電を制御する第２コンバータと、
    前記ＡＣラインに接続された宅内負荷の負荷電力を計測する計測手段と、
    前記太陽光発電手段の発電電力と、前記計測手段にて計測された前記宅内負荷電力と、前記電力貯蔵手段の充電又は放電能力に基づいて前記インバータを制御する制御手段を具備し、
    前記制御手段は、前記太陽光発電手段及び前記電力貯蔵手段の両方から宅内へ給電を行わない場合に、前記インバータを停止することを特徴とする発電装置。

Images