JP2015006117A - パワーコンディショナ - Google Patents

Abstract

【課題】小容量の蓄電池で太陽電池の発電量の急変に対応しつつ太陽電池の発電量が不足しているか否かを報知することにより自立運転時の電力供給の安定性を向上することのできるパワーコンディショナを提供する。【解決手段】太陽電池２が発電する発電電力を入力する発電電力入力部１３と、蓄電池３が放電する蓄電電力を入力する蓄電電力入力部１８と、自立運転時に発電電力及び蓄電電力を交流電力に変換して負荷８に出力するインバータ１５と、自立運転時に負荷８の消費電力に対して太陽電池２の発電電力が不足することを必要条件として蓄電池３から放電させるための放電動作制御手段１９と、蓄電池３から放電しているか否かに基づいて発電電力不足であることを報知する報知手段とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電システムに用いられるパワーコンディショナに関する。

従来より、並列運転モード時には太陽電池の電力をパワーコンディショナ（系統連系インバータ）を介して負荷及び商用電力系統に供給する一方、停電が発生したときには自立運転モードに切替えて太陽電池単独で負荷に電力を供給するように構成された太陽光発電装置が広く知られている。

特に下記の特許文献１記載の太陽光発電装置では、夜間における必要電力を賄うために、太陽電池とパワーコンディショナとの間に、充電器及び蓄電池からなる電力備蓄手段を介在させている。また、並列運転モード時において太陽電池からの電力により蓄電池を充電するとともに、夜間モード時において商用電力系統からの電力により蓄電池を充電するように構成されている。そして、停電が生じたとき、日中には自立運転によって得られる電力を負荷へ供給すると共にその余剰電力を蓄電池に充電する一方、夜間に蓄電池から負荷へ電力を供給するように構成されている。また、自立運転モード時に、蓄電池の充電残量が所定電力量以下となっている場合には、報知手段にその旨を表示して、所定時間後に自立運転モードを終了するようになっている。

また、下記の特許文献２には、太陽光発電装置とは別に蓄電システムを設け、停電中の自立運転時に、太陽光発電装置の発電電力が電気負荷の消費電力と比較して不足することを条件として、不足分の電力を蓄電池から電気負荷に供給するようにした電力供給システムが開示されている（段落番号００５１〜００５７）。

特開平９−１６３６２６号公報 特開２０１３−９０４３６号公報

上記特許文献１及び２のいずれにおいても、蓄電池として１日分の家庭内電力を賄える程度の大容量のものを用いることを前提としたシステム構成とされている。しかし、大容量の蓄電池は価格が高く、また、大型となるために設置場所の確保が困難となる場合もある。

そこで、設計理念として、自立運転時には基本的には太陽光発電電力に依存することとし、天候の悪化や太陽光パネルに近隣の建物の影が差し込んできた等により太陽光発電パネルの発電量が急激に低下した場合に、その時点で使用されている電気負荷の消費電力に対する発電電力の不足分を蓄電池の電力で賄うようにシステム設計すれば、比較的小容量の蓄電池を用いることができ、上記問題点は解消される。すなわち、日中の発電量が十分な時間帯しか自立運転の電力を使えないことを前提とするならば、夜間に自立運転ができなくなることに対してユーザーの理解も得られ、また、小容量の蓄電池であれば僅かなコスト増で発電システムを提供でき、コスト的な理解も得られるものとなる。

しかし、そのような使用方法をユーザーに行ってもらうためには、自立運転中に、蓄電池から放電しているか否かをユーザーが認識し、太陽光発電電力以下の消費電力となるように消費電力を抑えてもらう必要があるが、従来、そのような手段が備えられていなかった。

そこで、本発明は、小容量の蓄電池で太陽電池の発電量の急変に対応しつつ太陽電池の発電量が不足しているか否かを報知することにより自立運転時の電力供給の安定性を向上することのできるパワーコンディショナ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、本発明のパワーコンディショナは、太陽電池が発電する発電電力を入力する発電電力入力部と、蓄電池が放電する蓄電電力を入力する蓄電電力入力部と、自立運転時に前記発電電力及び前記蓄電電力を交流電力に変換して負荷に出力するインバータと、自立運転時に前記負荷の消費電力に対して前記太陽電池の発電電力が不足することを必要条件として蓄電池から放電させるための放電動作制御手段と、蓄電池から放電しているか否かに基づいて発電電力不足であることを報知する報知手段とを備えていることを特徴とするものである（請求項１）。

かかる本発明のパワーコンディショナによれば、太陽電池の発電電力が負荷の消費電力よりも大きい場合には、放電動作制御手段によって蓄電池からの放電が停止されるため、日中の発電量が十分なときには蓄電電力を温存することができる。一方、太陽電池パネルに近隣の建物の影が差し込んできたり、太陽が雲に隠れたりすることによって、急激に太陽電池の発電電力が低下し、これによりその時点で使用中の負荷の消費電力よりも発電電力が小さくなった場合には、放電動作制御手段によって蓄電部からの放電が開始され、不足電力を蓄電電力によって賄うことができる。また、自立運転時にユーザーが発電電力を超える消費電力の電気負荷を使用した場合には、蓄電池からの放電を開始することによって不足電力を賄うとともに、報知手段によって発電電力不足であることを報知することによって、消費電力の抑制をユーザーに促すことができる。さらに、太陽光発電用のパワーコンディショナに上記構成を内蔵することにより、システム全体の小型化やコスト低減を図ることができる。

上記本発明のパワーコンディショナにおいて、前記蓄電電力入力部と前記インバータとの間に電流センサを設け、前記報知手段は、該電流センサの検出値に基づいて蓄電池から放電しているか否かを判定することができる（請求項２）。これによれば、簡単な構成で確実に蓄電池からの放電を検出することができる。

また、自立運転時の前記負荷の消費電力に対する前記太陽電池の発電電力の不足分を測定する不足電力測定手段を備え、前記報知手段は、前記不足分の値を表示することにより発電電力不足であることを報知するものとすることができる（請求項３）。これによれば、不足電力を具体的な値としてユーザーに認識させることができ、使用を中止する電気機器をユーザーが容易に選択でき、一層利便性の高いものとすることができる。

また、前記発電電力入力部と前記インバータとの間には発電電力を昇圧してインバータに供給するための発電電力用コンバータが設けられ、前記放電動作制御手段は、蓄電電力を昇圧してインバータに供給するための蓄電電力用コンバータからなるものとすることができる（請求項４）。これによれば、発電電力用コンバータと蓄電電力用コンバータとを別に設けたので、それぞれの電力特性に応じた最適な制御を行うことができ、例えば、発電電力用コンバータはＭＰＰＴ制御を行い、蓄電電力用コンバータはＰＷＭ制御を行うことで、電力効率の最適化を行うことができる。さらに、蓄電電力用コンバータによって放電動作制御手段を構成することにより、装置構成の簡素化、コスト低減を図ることができる。

なお、より好ましくは、蓄電電力用コンバータを双方向コンバータとし、発電電力の余剰電力があるときは該余剰電力を蓄電池に充電できるように構成することができる。また、報知手段は、放電動作制御手段の制御状態に基づいて蓄電池から放電しているか否かを判定することもできるし、また、蓄電池用の外部のコントローラとの通信によって蓄電池から放電しているか否かを判定することもできる。また、蓄電池及び蓄電電力入力部はパワーコンディショナに内蔵されていてもよい。

以上説明したように、本発明の請求項１に係るパワーコンディショナによれば、太陽電池の発電電力が負荷の消費電力よりも大きい場合には、放電動作制御手段によって蓄電池からの放電が停止されるため、日中の発電量が十分なときには蓄電電力を温存することができる。一方、太陽電池パネルに近隣の建物の影が差し込んできたり、太陽が雲に隠れたりすることによって、急激に太陽電池の発電電力が低下し、これによりその時点で使用中の負荷の消費電力よりも発電電力が小さくなった場合には、放電動作制御手段によって蓄電部からの放電が開始され、不足電力を蓄電電力によって賄うことができる。また、自立運転時にユーザーが発電電力を超える消費電力の電気負荷を使用した場合には、蓄電池からの放電を開始することによって不足電力を賄うとともに、報知手段によって発電電力不足であることを報知することによって、消費電力の抑制をユーザーに促すことができる。さらに、太陽光発電用のパワーコンディショナに上記構成を内蔵することにより、システム全体の小型化やコスト低減を図ることができる。

また、本発明の請求項２に係るパワーコンディショナによれば、簡単な構成で確実に蓄電池からの放電を検出することができる。

また、本発明の請求項３に係るパワーコンディショナによれば、不足電力を具体的な値としてユーザーに認識させることができ、使用を中止する電気機器をユーザーが容易に選択でき、一層利便性の高いものとすることができる。

また、本発明の請求項４に係るパワーコンディショナによれば、発電電力用コンバータと蓄電電力用コンバータとを別に設けたので、それぞれの電力特性に応じた最適な制御を行うことができ、例えば、発電電力用コンバータはＭＰＰＴ制御を行い、蓄電電力用コンバータはＰＷＭ制御を行うことで、電力効率の最適化を行うことができる。さらに、蓄電電力用コンバータによって放電動作制御手段を構成することにより、装置構成の簡素化、コスト低減を図ることができる。

本発明の一実施形態に係るパワーコンディショナの回路ブロック図である。 同パワーコンディショナの自立運転時の制御フローチャートである。

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は本発明の第１の実施形態に係るパワーコンディショナ１を具備する太陽光発電システムを示している。該発電システムは、太陽電池アレイ２（太陽電池）と、蓄電池３と、これら太陽電池アレイ２及び蓄電池３から供給される直流電力を商用電力系統４に系統連系する交流電力に変換して商用電力系統に出力するパワーコンディショナ１とから主構成されている。本実施形態のパワーコンディショナ１は自立発電コンセント１１を備え、自立運転時に自立発電コンセント１１に接続された電気負荷８（単に負荷ともいう）に対して電力供給できるようになっている。

太陽電池アレイ２は、従来公知の適宜の構成であってよく、一般的には、建物の屋根などに設置された複数の太陽光発電パネルを備え、該パネルから発電出力される直流電力がパワーコンディショナ１のコンバータ１２の入力側に設けた発電電力入力部１３に入力されるように構成されている。なお、太陽光発電パネルとしては、例えば１００〜１４０Ｖ程度の定格発電電力のものを採用できる。太陽光発電パネルの発電量が不足する場合、例えば早朝や夕方或いは悪天候時など太陽光発電パネルに直射日光が照射されない場合には、発電電力は日照量に応じて低下する。

太陽電池アレイ２とコンバータ１２との間の直流電路には、太陽電池アレイ２からパワーコンディショナ１に供給される直流電力の電圧を測定する電圧センサ５と、上記直流電路を流れる電流値を検出する電流センサ６とが設けられている。なお、これら電圧センサ５及び電流センサ６は、図示実施例ではパワーコンディショナ１の筐体の外部において直流電路に接続しているが、筐体の内部に内蔵することもできる。電圧センサ５及び電流センサ６の検出値は後述する制御部１０に入力され、各種制御のパラメータとして利用されるとともに、太陽電池アレイ２の発電電力の測定にも使用される。

パワーコンディショナ１は、ＤＣリンクコンデンサにより構成されるＤＣリンク部１４と、太陽電池アレイ２から供給される直流電力を交流の系統電圧の最大値（例えば２００Ｖ交流電力の場合は２８０Ｖ）に対応する所定電圧（例えば３５０Ｖ）に昇圧するよう電力変換してＤＣリンク部１４に出力する非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータからなる発電電力用コンバータ１２と、ＤＣリンク部１４から供給される直流電力を系統電力に連系する交流電力に電力変換して系統側に出力するための電圧形ブリッジインバータ１５（ＤＣ／ＡＣインバータ）と、インバータ１５の出力側に設けられた解列用保護リレー１６と、インバータ１５と保護リレー１６との間の交流電路から分岐した分岐電路に設けられた自立運転用リレー１７と、上記コンバータ１２並びにインバータ１５における各電力変換動作、及び、保護リレー１６並びに自立運転用リレー１７の開閉動作を制御するための制御部１０と、を備えている。

さらに、本実施形態のパワーコンディショナ１は、外部に設置した小容量の蓄電池３が接続される蓄電電力入力部１８と、蓄電池３から該蓄電電力入力部１８に入力される蓄電電力を上記所定電圧に昇圧するよう電力変換してＤＣリンク部１４に出力する非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータからなる蓄電電力用コンバータ１９とを備え、自立運転時に発電電力が一時的に不足した場合に蓄電池３からの電力供給によって一時的な不足分の電力を賄えるように構成されている。この蓄電電力用コンバータ１９も上記制御部によって電力変換動作が制御される。また、蓄電電力用コンバータ１９は従来公知の双方向コンバータとされており、発電電力に余剰電力があれば該余剰電力をＤＣリンク部１４から降圧して蓄電池３に供給して、蓄電池３の充電が行えるようになっている。

ＤＣリンク部１４には、ＤＣリンク部１４の電圧を検出するための電圧センサ２０が設けられ、ＤＣリンク部１４と蓄電電力用コンバータ１９との間の電路には蓄電池３からの充放電電流を検出するための電流センサ２１が設けられている。また、インバータ１５の出力側には、出力電力を測定するための電圧センサ２２及び電流センサ２３が設けられている。これら各センサ２０，２１，２２，２３の検出値も制御部１０に入力され、各種制御のパラメータとして利用されるとともに、インバータ１５の出力電力の測定や、蓄電池３からの充放電電流の有無の判定などにも利用される。

発電電力用コンバータ１２は、好ましくは昇圧チョッパ回路によって構成され、制御部１０によってＭＰＰＴ制御されるようになっている。蓄電電力用コンバータ１９は、放電用の昇圧チョッパ回路と充電用の降圧チョッパ回路とによって構成でき、制御部１０によってＰＷＭ制御されるようになっている。

インバータ１５は、フルブリッジ形の電圧形ブリッジインバータにより構成でき、いわゆる電流モード制御（電圧形インバータの電流制御）を行うことによって出力電流を制御することにより、ＤＣリンク部１４から供給される直流電力をＰＷＭ制御若しくはＰＡＭ制御によって交流電力に変換して系統若しくは自立発電コンセント１１に接続された電気負荷へ出力する。

制御部１０は、マイコンによって主構成され、各制御機能は制御プログラムとして実装されているが、各制御機能に対応する専用回路によって構成されていてもよい。この制御部１０は、商用電力系統の停電時など系統電力に異常が生じたときは保護リレー１６を解列動作させて、コンバータ１２及びインバータ１５の動作を停止するように構成されている。また、パワーコンディショナ１の筐体に取付けた自立運転スイッチ（図示せず）を操作すると、自立運転制御が開始され、制御部１０によって自立運転用リレー１７が閉制御されるとともにコンバータ１２及びインバータ１５の動作が制御され、太陽電池アレイ２の発電電力を交流電力に変換して自立発電コンセント１１を介して電気負荷８に発電電力が供給される。自立運転開始時においては、蓄電電力用コンバータ１９の動作は開始させないようになっている。

図２は自立運転時の制御フローの一例を示しており、自立運転が開始されると、ステップＳ１において、太陽電池アレイ２の発電電力と、インバータ１５の出力電力（すなわち負荷８の消費電力）とを測定する。

次に、ステップＳ２において、発電電力が消費電力よりも大きいか否かを判定し、発電電力が消費電力よりも大きい場合にはステップＳ３に移行し、発電電力が消費電力以下である場合はステップＳ４へ移行する。

ステップＳ３では、発電電力の余剰電力によって蓄電池３を充電させる制御を行う。具体的には、ＤＣリンク部１４の電圧を監視しつつ蓄電電力用コンバータ１９の降圧チョッパ回路を動作させ、ＤＣリンク部１４の電圧降下が生じない範囲で余剰電力を降圧して蓄電池３に供給して、該余剰電力により蓄電池３を充電する。なお、蓄電池３が満充電状態であるときは充電を行わないようにする。かかる処理を行った後、ステップＳ１へ戻る。

ステップＳ４では、蓄電電力用コンバータ１９の昇圧チョッパ回路を動作させることにより、蓄電池３からの放電を開始して、該蓄電電力を昇圧してＤＣリンク部１４を介してインバータ１５に発電電力とともに入力させ、これら発電電力及び蓄電電力を交流電力に変換して負荷８へ供給する。

次に、ステップＳ５に移行して、発電電力不足に関わる報知制御を行う。この報知の態様は適宜のものとすることができる。例えば、発電電力を測定する電圧センサ５及び電流センサ６の検出値と、出力電力を測定する電圧センサ２２及び電流センサ２３の検出値とに基づいて、制御部１０において自立運転時の負荷８の消費電力に対する太陽電池アレイ２の発電電力の不足分を演算測定し、パワーコンディショナ１の筐体に取付けた７セグメントＬＥＤなどの表示装置や、パワーコンディショナ１の各種状態表示用のリモコン（図示せず）の表示装置などに、上記不足分の電力値を表示することができる。而して、上記センサ５，６，２２，２３及び制御部１０によって不足電力測定手段が構成されている。また、適宜の箇所に設けたブザーやスピーカーを介して警報音や音声による報知を行うことも可能である。また、ステップＳ５で報知制御を行う際に、より確実に蓄電池３から放電しているか否かを判定するために、上記電流センサ２０の検出値に基づいて放電判定を行い、該判定結果に基づき報知を行わせることも可能である。

次にステップＳ６へ移行し、発電電力や蓄電池３の充電状態等の所定の情報に基づいて自立運転を継続可能か否かを判定し、継続可能であればステップＳ１へ戻り、継続不可と判定された場合には自立運転を終了する。

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、蓄電池３から放電していないときの発電電力が不足しているか否かの判定は、ＤＣリンク部１４の電圧が所定電圧以上であるか否かに基づいて行うこともでき、ＤＣリンク部１４の電圧が所定電圧未満に降下すると消費電力に対して発電電力が不足しているとみなして、蓄電池からの放電を開始するとともに発電量不足の報知を行うように構成することもできる。

１ パワーコンディショナ
２ 太陽電池アレイ（太陽電池）
３ 蓄電池
８ 負荷
１２ 発電電力用コンバータ
１３ 発電電力入力部
１５ インバータ
１８ 蓄電電力入力部
１９ 蓄電電力用コンバータ（放電動作制御手段）

Claims (4)

1. 太陽電池が発電する発電電力を入力する発電電力入力部と、蓄電池が放電する蓄電電力を入力する蓄電電力入力部と、自立運転時に前記発電電力及び前記蓄電電力を交流電力に変換して負荷に出力するインバータと、自立運転時に前記負荷の消費電力に対して前記太陽電池の発電電力が不足することを必要条件として蓄電池から放電させるための放電動作制御手段と、蓄電池から放電しているか否かに基づいて発電電力不足であることを報知する報知手段とを備えていることを特徴とするパワーコンディショナ。
2. 請求項１に記載のパワーコンディショナにおいて、前記蓄電電力入力部と前記インバータとの間に電流センサを設け、前記報知手段は、該電流センサの検出値に基づいて蓄電池から放電しているか否かを判定することを特徴とするパワーコンディショナ。
3. 請求項１又は２に記載のパワーコンディショナにおいて、自立運転時の前記負荷の消費電力に対する前記太陽電池の発電電力の不足分を測定する不足電力測定手段を備え、前記報知手段は、前記不足分の値を表示することにより発電電力不足であることを報知するものであることを特徴とするパワーコンディショナ。
4. 請求項１，２又は３に記載のパワーコンディショナにおいて、前記発電電力入力部と前記インバータとの間には発電電力を昇圧してインバータに供給するための発電電力用コンバータが設けられ、前記放電動作制御手段は、蓄電電力を昇圧してインバータに供給するための蓄電電力用コンバータからなることを特徴とするパワーコンディショナ。

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