JP2016100918A - 太陽光発電システムの制御装置、制御システム、および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 発電した電力を効率的に送電できるようにすること。
【解決手段】 太陽電池モジュール群Ａ２０，Ｂ２０から得られる電力を電力系統Ｅと連系するための電圧に昇圧する変圧器Ａ０，Ｂ０が複数のバンクで構成される太陽光発電システム１の制御装置３は、日射予測から得られる単位時間毎の推定発電電力を示す情報に応じて所定のバンクの運転停止と起動の切り替えを行う操作手段を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、太陽光発電システムの制御装置、制御システム、および制御方法に関する。

平成２４年７月にスタートした固定価格買取制度により、再生可能エネルギーの普及が進みつつある。例えば太陽光発電システムにおいては、電力の買取価格が高額であること等から、２桁メガクラスの大規模メガソーラの計画や建設が進んでいる。

一般に、大規模メガソーラを採用する太陽光発電システムにおいては、発電した低電圧の電力を系統と連系するための電圧（一般には、特別電圧）にするために、大型の変圧器を用いて２段階で昇圧を行っている。

特開２００９−０６０７０４号公報

上述したように、例えば大規模メガソーラを採用する太陽光発電システムにおいては、発電した電力を系統と連系するために大型の変圧器を用いていることから、日中においては日射の変動によって負荷状態が大きく変わり、また、夜間においても変圧器に多くの無負荷損が発生するため、電力を無駄に消費してしまう。

このようなことから、太陽光発電システムにおいて発電した電力を無駄なく効率的に送電できるようにすることが望まれている。特に大規模メガソーラを採用するシステムにおいては、変圧器における損失を低減することが望まれる。

発明が解決しようとする課題は、発電した電力を効率的に送電することを可能とする太陽光発電システムの制御装置、制御システム、および制御方法を提供することにある。

実施形態によれば、太陽電池モジュール群から得られる電力を電力系統と連系するための電圧に昇圧する変圧器が複数のバンクで構成される太陽光発電システムの制御装置であって、日射予測から得られる単位時間毎の推定発電電力を示す情報に応じて所定のバンクの運転停止と起動の切り替えを行う操作手段を具備することを特徴とする太陽光発電システムの制御装置が提供される。

本発明によれば、発電した電力を効率的に送電することができる。

本実施形態に係る太陽光発電システムを制御する制御装置を含むシステム全体の構成の一例を示す概念図。 図１中に示される入出力中継装置の機能構成の一例を示すブロック図。 ある日の０時から２４時までの１時間毎の定格出力可能率に応じてバンクの運転台数が変わる様子を示すグラフ。 同実施形態の動作の一例を示すフローチャート。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る太陽光発電システムを制御する制御装置を含むシステム全体の構成を示す概念図である。

図１に示されるシステムは、大規模メガソーラを採用する太陽光発電システム１、ＰＶ監視システム（太陽光監視システム）２、および入出力中継装置（制御装置）３を含む。

太陽光発電システム１は、複数ある発電所のうちのある１つの発電所に設置される。ＰＶ監視システム２は、コンピュータネットワーク上（クラウド上）に構築される。入出力中継装置３は、太陽光発電システム１を構成する機器類を遠隔制御する制御装置として機能し、ＰＶ監視システム２や太陽光発電システム１と通信して各種の信号の入出力や中継を行う。

なお、入出力中継装置３の一部又は全部は、コンピュータで実現してもよく、また、入出力中継装置３により実施される一連の制御手順は、当該コンピュータに実行させるためのプログラムとして実現してもよい。また、入出力中継装置３は、太陽光発電システム２の一部として構成してもよい。また、ＰＶ監視システム２と入出力中継装置３とを合わせて、１つの制御システムとして太陽光発電システム１を制御する構成としてもよい。

太陽光発電システム１は、Ａ系統とＢ系統とに分けられる。

Ａ系統の太陽電池モジュール群Ａ２０には、ＤＣ／ＡＣ変換等を行うＰＣＳ群（パワーコンディショナー群）Ａ１１が接続され、昇圧用変圧器群Ａ１０が接続され、さらに遮断器群Ａ１２が接続される。同様に、Ｂ系統の太陽電池モジュール群Ｂ２０にも、ＤＣ／ＡＣ変換等を行うＰＣＳ群（パワーコンディショナー群）Ｂ１１が接続され、昇圧用変圧器群Ｂ１０が接続され、さらに遮断器群Ｂ１２が接続される。

また、Ａ系統の連系電圧器Ａ０の上流側と下流側には、それぞれ遮断器Ａ１，Ａ２が接続される。同様に、Ｂ系統の連系電圧器Ｂ０の上流側と下流側にも、それぞれ遮断器Ｂ１，Ｂ２が接続される。

そのほか、太陽光発電システム１と電力系統Ｅとの間の接続／遮断の切り替えを可能とする遮断器Ｘや、Ａ系統とＢ系統との間を横断するラインの接続／遮断の切り替えを可能とする遮断器Ｙが設けられる。

なお、本実施形態では、太陽光発電システム１が正常に運転している状態にあるときは、遮断器群Ａ１２，Ｂ１２、遮断器Ａ１，Ａ２，Ｘは常に投入の状態にあるものとする。

この太陽光発電システム１においては、太陽電池モジュール群Ａ２０，Ｂ２０により発電した低圧の電力から、電力系統Ｅと連系するための電圧（特別電圧）を生成するために、昇圧用変圧器群Ａ１０，Ｂ１０と連系電圧器Ａ０，Ｂ０の２段階で昇圧を行う。

また、この太陽光発電システム１においては、連系電圧器は複数のバンクで構成されるが、ここでは２つの連系電圧器Ａ０，Ｂ０による２バンク構成の例が示されている。この場合、入出力中継装置３の制御のもとで、連系電圧器Ａ０，Ｂ０の両方を使用する２バンク運転（すなわち、発電所定格運転）と、連系電圧器Ａ０，Ｂ０のうちの一方を使用せずに残りの一方のみを使用する１バンク運転とを切り替えて実施することが可能である。２バンク運転のときには、遮断器Ｙは開放しており、これ以外のすべての遮断器は投入されている。一方、１バンク運転のときには、遮断器Ｂ１，Ｂ２が開放しており、これら以外のすべての遮断器が投入されている。また、１バンク運転のときには、パワーコンディショナー群Ａ１１，Ｂ１１の有効電力が２バンク運転のときよりも少なくなるよう制御される（例えば、定格の５０％に設定される）。

ＰＶ監視システム２は、各発電所に対して通信回線経由で運転指令を送るものであり、例えば、気象会社等から日射量や気温などの気象を予測した気象予測情報（日射量予測情報、気温予測情報等を含む）を入手し、各地区の気象条件に応じた運転計画を毎時間試算し、その出力結果を示す運転指令を各発電所の入出力中継装置３へ送信する。運転計画の出力結果は、２４時間先までの単位時間毎の（例えば１時間毎の）推定発電電力を示す情報である。この情報は、例えば、単位時間毎に定格発電電力（定格出力）に対する推定発電電力の割合を示す定格出力可能率（０〜１００［％］）で表される。

入出力中継装置３は、ＰＶ監視システム２から送信されてくる運転指令や図示しない電力会社からオンラインで送信されてくる発電の出力抑制指令を受信することが可能であり、これらの指令に含まれる情報を用いて所定のバンクの運転停止と起動の切り替えを動的に行う機能を有する。

より具体的には、入出力中継装置３は、図２に示されるように、通信部３１、運転指令確認部３２、出力抑制指令確認部３３、バンク運転台数決定部３４、操作部３５、通知部３６といった各種の機能を備えている。

通信部３１は、ＰＶ監視システム２から送信されてくる運転指令の受信、電力会社からオンラインで送信されてくる出力抑制指令の受信、太陽光発電システム１を構成する各遮断器・ＰＣＳ群に対する指令の送信、各遮断器・ＰＣＳ群の状態を示す情報のＰＶ監視システム２や電力会社（図示せず）への送信などを行う。

運転指令確認部３２は、ＰＶ監視システム２から送信されてきた運転指令に対して２４時間先までの単位時間毎の（例えば１時間毎の）定格出力可能率を確認する。この定格出力可能率によりバンク運転制御の要否を判定する。

出力抑制指令確認部３３は、電力会社から出力抑制指令が送信されてきた場合に、その出力抑制指令に示される情報を確認する。この情報は、例えば、定格の発電電力に対する目標の発電電力の割合を示す出力抑制指令値（０〜１００［％］）で表される。この出力抑制指令値よりＰＣＳに対して制御するＰＣＳ有効電力リミット値を決定する。

バンク運転台数決定部３４は、単位時間毎に、定格出力可能率（もしくは出力抑制指令値）が閾値（例えば、定格出力の５０％）よりも高いか低いかに応じてバンクの運転台数を決定する。

例として、図３に、ある日の０時から２４時までの１時間毎の定格出力可能率に応じてバンクの運転台数が変わる様子を示す。この例では、０時〜８時の間は、定格出力可能率が５０％よりも小さいため、バンクの運転台数は１台となる。一方、８時〜１６時の間は、定格出力可能率が５０％以上となるため、バンクの運転台数は２台となる。そして、１６時〜２４時の間は、定格出力可能率が５０％よりも小さいため、バンクの運転台数は１台となる。

判定の詳細は出力抑制指令値確認部３３が、電力会社からの発電の出力抑制指令を通信部３１により受信した場合、当該出力抑制指令に応じてＰＣＳからの有効電力のリミット値を算出する（例えば、５０％の出力抑制指令値を受信した場合に、ＰＣＳ５００ｋｗ定格のものを一時的にＭＡＸ２５０ｋｗとする制御とする）。バンク運転台数決定部３４は出力抑制指令確認部３３により確認された出力抑制指令値と、運転指令確認部３２により確認された定格出力可能率のうち、値が低い方が、閾値（例えば、定格出力の５０％）よりも高いか低いかに応じてバンクの運転台数を決定する。

操作部３５は、バンク運転台数決定部３４により決定される運転台数で運転が行われるようにバンクを操作する。

例えば、操作部３５は、バンク運転台数決定部３４により決定された運転台数が、先行する単位時間にて決定された運転台数よりも少ない場合（例えば、２台から１台に変わる場合）、所定のバンクの運転を停止させる（例えば、遮断器Ｙが開放しており、これ以外のすべての遮断器が投入されている２バンク運転の状態において、遮断器Ｙの投入、遮断器Ｂ１の開放、遮断器Ｂ２の開放をこの順で行うことにより、２バンク運転から１バンク運転への切り替えを実施する）。逆に多い場合（例えば、１台から２台に変わる場合）、当該所定のバンクを起動させる（例えば、遮断器Ｂ１，Ｂ２が開放しており、これら以外のすべての遮断器が投入されている１バンク運転の状態において、遮断器Ｂ２の投入、遮断器Ｂ１の投入、遮断器Ｙの開放をこの順で行うことにより、１バンク運転から２バンク運転への切り替えを実施する）。

更に、操作部３５は、バンク運転台数を減らす場合には、安全上の観点からＰＣＳ群の有効電力を抑制する。

例えば、操作部３５は、バンク運転台数決定部３４により決定された運転台数が、先行する単位時間にて決定された運転台数よりも少ない場合、ＰＣＳ群Ａ１１，Ｂ１１の有効電力を減少させ（例えば、定格有効電力の５０％にし）、逆に多い場合は、当該ＰＣＳ群Ａ１１，Ｂ１１の有効電力を増加させる（定格有効電力の状態に戻す）。

通知部３６は、各遮断器・ＰＣＳ群の状態を示す情報（各指令を行った結果を示す情報）を、通信部３１を介してＰＶ監視システム２や電力会社へ通知する。これにより、ＰＶ監視システム２や電力会社は、各発電所における各機器の制御状態をモニタリングすることができる。

次に、図４を参照して、本実施形態による動作の一例を説明する。

ここでは、太陽光発電システム１が正常に運転している状態にあり、遮断器群Ａ１２，Ｂ１２、遮断器Ａ１，Ａ２，Ｘは常に投入の状態にあるものとする。遮断器Ｂ１，Ｂ２，Ｙの状態は、バンクの運転台数によって変わる。

ＰＶ監視システム２は、気象会社等から日射量や気温などの気象を予測した気象予測情報を入手し、各地区の気象条件に応じた運転計画を毎時間試算し、その出力結果を示す運転指令を各発電所の入出力中継装置３へ伝送する（ステップＳ１）。

ある発電所の入出力中継装置３は、ＰＶ監視システム２から送信されてくる運転指令を受信すると（ステップＳ２）、２４時間先までの単位時間毎の（例えば１時間毎の）推定発電電力を示す情報、すなわち定格出力可能率を一定時間毎に確認する（ステップＳ３）。

また、上記入出力中継装置３は、電力会社からの出力抑制指令の受信があるか否かを判定する（ステップＳ４）。

電力会社からの出力抑制指令の受信があった場合（ステップＳ４のＹＥＳ）、この出力抑制指令に示される出力抑制指令値と、運転指令確認部３２により確認された定格出力可能率のうち、値が低い方を採用し（ステップＳ５）、この値が所定の閾値（例えば、定格出力の５０％）よりも高いか低いかに応じてバンクの運転台数を決定する（ステップＳ６）。例えば、所定の閾値（例えば、定格出力の５０％）よりも高ければバンクの運転台数を２台と決定し、低ければバンクの運転台数を１台と決定する。

一方、ステップＳ４において、電力会社からの出力抑制指令の受信がなければ（ステップＳ４のＮＯ）、定格出力可能率が所定の閾値（例えば、定格出力の５０％）よりも高いか低いかに応じてバンクの運転台数を決定する（ステップＳ６）。例えば、所定の閾値（例えば、定格出力の５０％）よりも高ければバンクの運転台数を２台と決定し、低ければバンクの運転台数を１台と決定する。

入出力中継装置３は、決定されたバンク運転台数が、先行する単位時間にて決定した運転台数に比べて減少するか（例えば２台から１台に変わるか）、あるいは増加するか（例えば１台から２台に変わるか）、あるいは変わらないかを判定する（ステップＳ７）。

変わらなければ、入出力中継装置３は、運転の切り替えを行う必要はないため、各遮断器・ＰＣＳ群の状態は特に変えない。

減少する場合は、入出力中継装置３は、２バンク運転から１バンク運転への切り替えを行うため、ＰＣＳ群Ａ１１，Ｂ１１の有効電力を減少させる（例えば、定格有効電力の５０％にする）制御（以下、「リミット制御」）を行い、この制御が完了したら、遮断器Ｙに対して投入指令を発行し、遮断器Ｙの状態を確認する。次に、入出力中継装置３は、遮断器Ｂ１に対して開放指令を発行し、遮断器Ｂ１の状態を確認する。最後に、入出力中継装置３は、遮断器Ｂ２に対して開放指令を発行し、遮断器Ｂ２の状態を確認する。この一連の制御が正常に行われれば、１バンク運転への切り替えが完了する。

増加する場合は、入出力中継装置３は、１バンク運転から２バンク運転への切り替えを行うため、遮断器Ｂ２に対して投入指令を発行し、遮断器Ｂ２の状態を確認する。次に、入出力中継装置３は、遮断器Ｂ１に対して投入指令を発行し、遮断器Ｂ１の状態を確認する。その直後に、入出力中継装置３は、遮断器Ｙに対して開放指令を発行し、遮断器Ｙの状態を確認する。最後に、入出力中継装置３は、ＰＣＳ群Ａ１１，Ｂ１１に対して行っているリミット制御を解除する。

なお、ステップＳ７の処理を初めて実行する時など、判定する比較対象が無い場合は、初期設定として、ステップＳ６で決定したバンクの運転台数に応じた設定処理を行う。例えば、バンクの運転台数が１台の場合はステップＳ８の処理を行い、バンクの運転台数が２台の場合はステップＳ９の処理を行う。

この後、入出力中継装置３は、必要に応じて各遮断器・ＰＣＳ群の状態を示す情報（各指令を行った結果を示す情報）をＰＶ監視システム２や電力会社に通知し（ステップＳ１０）、ステップＳ３からの処理を繰り返す。

２４時間先までの個々の処理が遂行されると、一連の動作は終了する。

本実施形態によれば、以下のような効果が得られる。

すなわち、バンクの運転台数を太陽光発電システムの発電状態に応じて変えるため、連系変圧器の負荷損、無負荷損を低減させることが可能となる。これにより、売電電力量の向上および夜間の受電電力量の削減を図ることもできる。

また、連系変圧器のメンテナンスの際には、例えば入出力中継装置（制御装置）に対して出力抑制指令を発行することで、当該メンテナンスを発電所の運転を全停させずに行うことができ、売電電力量の損失を最低限に抑えることもできる。

また、各発電所の発電実績や運転記録をクラウド内に長期保存し、これらのデータを分析・解析することにより、運転計画の充実化や予想発電量の精度向上を図ることが可能となる。

なお、上記実施形態では、２バンク構成の場合を例示したが、これに限定されるものではない。例えば設備コストを抑えつつ定格運転での負荷損を低減できるなど、一定の効果が得られるのであれば、例えば３バンク構成、あるいは４バンク以上の構成としてもよい。その場合は、定格出力可能率（もしくは出力抑制指令値）の閾値を１つだけではなく複数段階に分けて設けることにより、１バンク運転，２バンク運転，３バンク運転，…等の切り替えを実現することができる。

以上詳述したように、上記実施形態によれば、発電した電力を効率的に送電することができる。

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。

１…太陽光発電システム、２…ＰＶ監視システム（太陽光監視システム）、３…入出力中継装置（制御装置）、３１…通信部、３２…運転指令確認部、３３…出力抑制指令確認部、３４…バンク運転台数決定部、３５…操作部、３６…通知部、Ａ０，Ｂ０…連系電圧器、Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２…遮断器、Ａ１０，Ｂ１０…昇圧用変圧器群、Ａ１１，Ｂ１１…ＰＣＳ群（パワーコンディショナー群）、Ａ１２，Ｂ１２…遮断器群、Ａ２０，Ｂ２０…太陽電池モジュール群、Ｅ…電力系統、Ｘ，Ｙ…遮断器。

Claims (10)

1. 太陽電池モジュール群から得られる電力を電力系統と連系するための電圧に昇圧する変圧器が複数のバンクで構成される太陽光発電システムの制御装置であって、
   日射予測から得られる単位時間毎の推定発電電力を示す情報に応じて所定のバンクの運転停止と起動の切り替えを行う操作手段を具備することを特徴とする太陽光発電システムの制御装置。
2. 前記情報を含む運転指令を受信する通信手段を更に具備することを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システムの制御装置。
3. 前記情報は、単位時間毎に定格発電電力に対する推定発電電力の割合を示す定格出力可能率で表されることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽光発電システムの制御装置。
4. 単位時間毎に前記定格出力可能率が閾値よりも高いか低いかに応じてバンクの運転台数を決定するバンク運転台数決定手段を更に具備し、
   前記操作手段は、前記バンク運転台数決定手段により決定される運転台数で運転が行われるようにバンクを操作することを特徴とする請求項３に記載の太陽光発電システムの制御装置。
5. 前記通信手段は、発電の出力抑制指令を受信する手段を有し、
   前記バンク運転台数決定手段は、前記通信手段により発電の出力抑制指令が受信された場合、当該出力抑制指令に応じて出力抑制を行ったときの抑制発電電力と前記推定発電電力のうち、値が低い方が、閾値よりも高いか低いかに応じてバンクの運転台数を決定することを特徴とする請求項４に記載の太陽光発電システムの制御装置。
6. 前記操作手段は、前記バンク運転台数決定手段により決定された運転台数が、先行する単位時間にて決定された運転台数よりも少ない場合は、所定のバンクの運転を停止させ、多い場合は、当該所定のバンクを起動させることを特徴とする請求項４又は５に記載の太陽光発電システムの制御装置。
7. 前記操作手段は、前記バンク運転台数決定手段により決定された運転台数が、先行する単位時間にて決定された運転台数よりも少ない場合は、前記太陽電池モジュール群に接続されるパワーコンディショナー群の有効電力を減少させ、多い場合は、当該有効電力を増加させることを特徴とする請求項６に記載の太陽光発電システムの制御装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の制御装置と、
   日射予測から得られる単位時間毎の推定発電電力を示す情報を含む運転指令を前記制御装置に送信する太陽光監視システムと
   を含むことを特徴とする太陽光発電システムの制御システム。
9. 太陽電池モジュール群から得られる電力を電力系統と連系するための電圧に昇圧する変圧器が複数のバンクで構成される太陽光発電システムの制御方法であって、
   通信手段を通じて、日射予測から得られる単位時間毎の推定発電電力を示す情報を取得し、
   操作手段により、前記取得した情報に応じて所定のバンクの運転停止と起動の切り替えを行う
   ことを特徴とする太陽光発電システムの制御方法。
10. 太陽電池モジュール群から得られる電力を電力系統と連系するための電圧に昇圧する変圧器が複数のバンクで構成される太陽光発電システムの制御装置に適用されるプログラムであって、
    コンピュータに、
    日射予測から得られる単位時間毎の推定発電電力を示す情報を取得する手順と、
    前記取得した情報に応じて所定のバンクの運転停止と起動の切り替えを行う手順と
    を実行させるためのプログラム。

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