JP2016201966A - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】電力系統の事故発生時にも常用の機器に対して無瞬断で電力を供給することができ、かつ高価な蓄電池の容量を抑えつつ、長時間のバックアップを実現することが可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】太陽電池1にはDC/DCコンバータ6が、蓄電池2には双方向DCDCコンバータ7が接続されるとともに、これらの各出力は並列にDCリンク用コンデンサ8に接続され、かつ、DCリンク用コンデンサ8を共に入力電源として、電力系統3との間で放充電する電流制御型のインバータ9と、停電対策が必要な常用負荷4へ電力を供給する電圧制御型インバータ10とを有し、かつ、それらを制御するコントローラー5を備える。そして、コントローラー5により太陽電池1と蓄電池2の供給電力量に応じて常用負荷4へ供給する電力源を切り替える。【選択図】図1

Description

この発明は、太陽電池などの分散型電源を電力系統と連系して動作させる系統連系用の電力変換装置に関する。
太陽光発電や風力発電に代表される分散型電源が増加する一方、その分散型電源の発電電力量は天候に左右されるため、出力の不安定性から一時的な電力系統からの電力の逼迫、不足が発生する恐れがある。そこで、電力系統を安定化するため、蓄電池が注目を浴びており、分散型電源の電力量不足時の補償のために、太陽電池と畜電池を組み合わせて発電可能な電力変換装置の開発が進んでいる。
このような場合において、インバータを複数台設置し、系統事故時にも蓄電池から自立負荷に対してエネルギーを間断なく送り続けることが可能なように、複数台のインバータの内の少なくとも1台は自立運転時にも利用できるインバータとし、蓄電池からこの1台のインバータを介して自立負荷に対して電力供給できるように接続先切り替え用の開閉器を設けた電力変換装置が開発されている(例えば、下記の特許文献1参照)。
特開平9−19083号公報
しかしながら、上記の特許文献1に記載のものでは、自立運転用の負荷に対しては電力を常時供給するような構成とはなっておらず、電力系統で事故が発生した際に、これに応じて自立運転用の負荷に分散型電源から電力を供給するように電力切り替えを行う構成なので、電力系統で事故が発生した場合には、その切り替え時に一定時間にわたって自立運転用の負荷に電力を供給できなくなる。
また、太陽電池を電力系統と連系する電力変換装置には、電力系統の電圧の異常時においても電力系統を解列せずに一定時間動作を継続し、電力系統の電圧の復帰時に速やかに電力送電を行える機能が要求されているため(FRT要件:Fault Ride Through)、一定期間、電力変換装置は電力系統と解列することができない。
したがって、その間は、電力系統の瞬時電圧低下によって使用中の機器が停止もしくはリスタートすることになるが、その機器の種類が、常に電力供給が必要となるサーバーなどの常用の機器である場合には、多大な被害につながる恐れがある。
このような常用の機器に対しては、その対策として、従来、専用の無停電電源装置(UPS:Uninterruptible Power Supply)が備えられるが、蓄電池が高価であるため、長時間にわたってバックアップするにはコストが問題となる。
この発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、電力系統の事故発生時にも常用の機器に対して無瞬断で電力を供給することができ、かつ高価な蓄電池の容量を抑えつつ、長時間のバックアップを実現することが可能な電力変換装置を提供することを目的とする。
この発明の電力変換装置は、直流電圧を出力する分散型電源の入力電圧を異なる電圧に変圧してDCリンク用コンデンサに出力可能な第1のDC/DCコンバータと、蓄電池と上記DCリンク用コンデンサとの間で互いに電力を双方向に流せる第2のDC/DCコンバータと、上記DCリンク用コンデンサを入力源として電力系統と連系して運転する第1のDC/ACインバータと、上記DCリンク用コンデンサを入力源として停電対策が必要な常用負荷に対して電力を供給する第2のDC/ACインバータと備えるとともに、上記の第1、第2のDC/DCコンバータおよび上記の第1、第2のDC/ACインバータを制御するコントローラを含み、上記コントローラは、上記蓄電池の放電を系統事故時にのみ実行する第1の制御モードと、上記電力系統からの買電電力を一定値以下に抑えるために実行する第2の制御モードとの少なくとも一方を実行するものであること特徴としている。
この発明に係る電力変換装置によれば、電力系統に併設される系統連系用の分散型電源である太陽電池および蓄電池を連系し、蓄電池の放電を系統事故時にのみ実行する第1の制御モードを採用することで、電力系統の異常時においても常用負荷へ無瞬断で電力を供給して長時間のバックアップを実現することができる。また、電力系統からの買電電力を一定値以下に抑えるピークカット運転を実行する第2の制御モードを採用することで、電力系統3からの買電電力を制限して余分な支出を抑えることができ、しかも、このピークカット運転中でも常用負荷に対して必要な電力を安定して供給することができる。また、1つの筐体でインバータ方式の無停電電源装置と系統連系用インバータの両機能を同時に満足することができ、省スペース化が期待できる。
この発明の実施の形態1から実施の形態3における電力変換装置の回路構成図である。 この実施の形態1における動作状態X−1および実施の形態2における動作状態Y−1の電力の流れを示す説明図である。 この実施の形態1における動作状態X−2の電力の流れを示す説明図である。 この実施の形態1における動作状態X−3の電力の流れを示す説明図である。 この実施の形態1における動作状態X−4の電力の流れを示す説明図である。 この実施の形態1および実施の形態2における動作状態X−5の電力の流れを示す説明図である。 この実施の形態1および実施の形態2における動作状態X−6の電力の流れを示す説明図である。 この実施の形態1および実施の形態2における動作状態X−7の電力の流れを示す説明図である。 この実施の形態1における系統連系用インバータの出力制御を示すブロック図である。 この実施の形態1における太陽電池の出力電力抑制制御を示すブロック図である。 この実施の形態1における系統連系用インバータの充電出力制御を示すブロック図である。 この実施の形態1における双方向DC/DCコンバータの放電電力制御を示すブロック図である。 この実施の形態1における動作状態X−8における過負荷時の電力の流れを示す説明図である。 この実施の形態1において電力系統3の事故発生などの系統異常が発生した場合にのみ蓄電池2からの放電を実施する第1の制御モードを実施する場合のDCリンク電圧の変化に対する太陽電池の制御状態、蓄電池の放電状態、および系統連系用インバータの充放電動作状態を示す説明図である。 この実施の形態2における動作状態Y−2の電力の流れを示す説明図である。 この実施の形態2における動作状態Y−3の電力の流れを示す説明図である。 この実施の形態2における動作状態Y−4の電力の流れを示す説明図である。 この実施の形態2における双方向DC/DCコンバータの出力制御を示すブロック図である。 この実施の形態2における太陽電池の出力電力抑制制御を示すブロック図である。 この実施の形態2における買電電力制御を示すブロック図である。 この実施の形態2における系統連系用インバータの放電出力抑制制御を示すブロック図である。 この実施の形態2における系統連系用インバータの充電電力制御を示すブロック図である。 この実施の形態2において電力系統3に対するピークカット運転を行う第2の制御モードを実施する場合のDCリンク電圧の変化に対する太陽電池の制御状態、蓄電池の放電状態、および系統連系用インバータの充放電動作状態を示す説明図である。 この実施の形態3における余剰電力充電制御を示すブロック図である。 この実施の形態3におけるDCリンク電圧変化に対する太陽電池の制御状態、蓄電池の充放電状態、および系統連系用インバータの充放電動作を示す説明図である。 この発明の実施の形態4における電力変換装置の回路構成図である。
実施の形態1.
図1はこの実施の形態における電力変換装置の構成図である。
この実施の形態1の電力変換装置は、太陽電池1の入力を異なる電圧に変圧してDCリンク用コンデンサ8に出力可能なDC/DCコンバータ6と、蓄電池2とDCリンク用コンデンサ8との間に接続されて互いに電力を送電および充電が可能な双方向DC/DCコンバータ7とを備える。この場合、DC/DCコンバータ6および双方向DC/DCコンバータ7は、それぞれ直流入力を昇圧してDCリンク用コンデンサ8に出力可能な昇圧型チョッパを利用している。
なお、上記のDC/DCコンバータ6が特許請求の範囲における第1のDC/DCコンバータに、上記の双方向DC/DCコンバータ7が特許請求の範囲における第2のDC/DCコンバータにそれぞれ対応している。
更に、この実施の形態1の電力変換装置は、DCリンク用コンデンサ8を入力源としてその直流を交流に変換し、連系用リレー12を介して電力系統3へ送電する系統連系用インバータ9と、DCリンク用コンデンサ8を入力源としその直流を交流に変換して自立用リレー13を介して常に電力供給が必要となる機器(以下、常用負荷という)4へ送電する定電圧インバータ10を備えている。また、連系用リレー12と電力系統3の間には必要に応じて接続される一般的な負荷(以下、一般負荷という)11が取り付けられる。
そして、上記の連系用リレー12は、電力系統3が正常時にはオンとなり、また、電力系統3が系統事故等の異常が発生した場合には連系運転を停止させるためにオフされる。また、自立用リレー13は電力系統3の正常時と異常時のいずれの場合でも常にオンされている。
この実施の形態1では、各インバータ9、10は、フルブリッジ2レベル方式に代表されるPWMインバータで構成されている。そして、上記の各コンバータ6、7および各インバータ9、10はコントローラ5によってその動作が制御される。
なお、上記の系統連系用インバータ9が特許請求の範囲における第1のDC/ACインバータに、上記の定電圧インバータ10が特許請求の範囲における第2のDC/ACインバータにそれぞれ対応している。
なお、この実施の形態1では、上記の各DC/DCコンバータ6、7はそれぞれ昇圧型チョッパを用いているが、これに限らず降圧型チョッパも利用可能である。また、各インバータ9、10については、PWMインバータを使用しているが、これに限らず、他のインバータの方式として、例えば3レベルインバータに代表されるマルチレベルインバータ方式も利用できる。
また、上記の各DC/DCコンバータ6、7および各インバータ9、10に用いるスイッチング用半導体にはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)や、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effective Transistor)などに代表される自己消弧形の半導体スイッチング素子を適用することができる。
このスイッチング半導体は、図1に示すようにMOSFETを利用しており、それぞれ並列にフリーホイールダイオードが接続されている。なお、MOSFETを利用する場合は、フリーホイールダイオードを並列接続する代わりに、寄生ダイオードを利用することもできる。
この実施の形態1における電力変換装置は、蓄電池2の残量をできるだけ長期にわたって確保するために、電力系統3の事故発生などの系統異常が発生した場合にのみ蓄電池2からの放電を実施して常用負荷4に対して常に安定した電力供給を行う。このように、蓄電池2からの放電が系統事故時にのみ実施されるようにするためには、各負荷4、11への電力供給の優先順位が、太陽電池1、電力系統3、蓄電池2の順になるような制御モードを採用する。そして、このような制御モードが特許請求の範囲における第1の制御モードに対応している。
以下、この第1の制御モードについて、図2〜図8を用いて説明する。なお、各図中の矢印内の数値は電力の大きさの絶対値を示している。また、矢印の向きは電力の流れる方向を示している。
図2はこの実施の形態1における動作状態X−1での電力の流れを示している。
最大電力点に追従するように制御されている太陽電池1の発電電力が常用負荷4および一般負荷11の合計の消費電力を上回っている場合、系統連系用インバータ9は放電し、太陽電池1の発電電力と両負荷4、11の全消費電力との差分となる余剰電力を電力系統3に対して売電できる。
図3はこの実施の形態1における動作状態X−2での電力の流れを示している。
最大電力点に追従するように制御されている太陽電池1の発電電力が常用負荷4の消費電力を上回っているが、一般負荷11の消費電力まで賄えない場合、系統連系用インバータ9は太陽電池1の発電電力と常用負荷4の消費電力の差分を放電し、一般負荷11に対する不足電力分は電力系統3から供給を受ける。
図4はこの実施の形態1における動作状態X−3での電力の流れを示している。
最大電力点に追従するように制御されている太陽電池1の発電電力が常用負荷4の消費電力を下回っている場合、系統連系用インバータ9はDCリンク用コンデンサ8の充電動作を行い、電力系統3から両負荷4、11に対する不足電力分の供給を受ける。
図5はこの実施の形態1における動作状態X−4での電力の流れを示している。
太陽電池1が発電していない場合、系統連系用インバータ9はDCリンク用コンデンサ8の充電動作を行い、両負荷4、11の全消費電力を電力系統3から供給を受ける。
図6はこの実施の形態1における動作状態X−5での電力の流れを示している。
電力系統3は系統事故により利用できない状態にある。このとき、太陽電池1の発電電力量が常用負荷4の消費電力を上回っている間は、系統連系用インバータ9は停止もしくはFRT要件を満足するように継続動作を実施し、太陽電池1の出力電力が常用負荷4の消費電力を賄うレベルまで出力が抑制される。
図7はこの実施の形態1における動作状態X−6での電力の流れを示している。
電力系統3は系統事故により利用できない状態にある。このとき、太陽電池1の発電電力量が常用負荷4の消費電力を下回っている間は、系統連系用インバータ9は停止もしくはFRT要件を満足するように継続動作を実施する一方、双方向DC/DCコンバータ7は、常用負荷4の消費電力と太陽電池1の出力電力との差を賄うように、蓄電池2からの出力電力が制御される。
図8はこの実施の形態1における動作状態X−7での電力の流れを示している。
電力系統3は系統事故により利用できない状態にある。このとき、太陽電池1は発電を停止しており、系統連系用インバータ9は停止もしくはFRT要件を満足するように継続動作を実施する一方、双方向DC/DCコンバータ7は、常用負荷4の消費電力を全て賄うように蓄電池2からの出力電力が制御される。
このように、この実施の形態1において、コントローラ5は、上記のX−1〜X−7の7つの動作状態を少なくとも満足するための制御を行っている。ここで、系統連系用インバータ9は、出力電流を目標電流に制御する電流制御型電圧インバータ方式で動作しており、また定電圧インバータ10は、出力電圧を目標電圧に制御する電圧制御型電圧インバータ方式で動作している。
そのため、コントローラ5は、DCリンク用コンデンサ8の電圧(以下、DCリンク電圧という)Vlinkを検出しており、このDCリンク電圧Vlinkが制御目標となる目標電圧Vth1になるように系統連系用インバータ9の出力電力つまりは出力電流を制御している。
図9にコントローラ5による系統連系用インバータ9の出力制御のブロック図を示す。
DCリンク電圧Vlinkと目標電圧Vth1の偏差より制御器51により系統連系用インバータ9の出力電力を定める出力電力指令値を決定する。制御器51は、比例制御や比例積分制御に代表される制御手段を有している。上記の出力電力指令値とは、例えば系統連系用インバータ9が出力する電力値、もしくは系統連系用インバータ9が出力する目標電流値である。制御器51で得られた上記の出力電力指令値は、リミッタ61によりその上限値および下限値がそれぞれ制限される。
太陽電池1の出力を制御するDC/DCコンバータ6は、山登り法に代表される最大電力点追従制御を実施している。ここで、前記動作状態X−5(図6)のように太陽電池1の発電量が各インバータ9、10の最大出力電力を上回った場合、DCリンク電圧Vlinkが上昇する。このため、DCリンク電圧Vlinkが目標電圧Vth1より高い値に予め設定された太陽電池抑制閾値Vth2(>Vth1)を超えた場合には、太陽電池1の出力電圧を最大電力点電圧Vmppよりも高い電圧に制御することにより発電電力を抑制する。この時、DCリンク電圧Vlinkは太陽電池抑制閾値Vth2に制御される。
図10にコントローラ5によるDC/DCコンバータ6の太陽電池1の出力電力抑制制御のブロック図を示す。
DCリンク電圧Vlinkと太陽電池抑制閾値Vth2の偏差より制御器52によりDC/DCコンバータ6の発電抑制電力を定める発電抑制電力指令値を決定する。上記の発電抑制電力指令値とは、例えば太陽電池電圧の制御目標電圧を最大電力点電圧Vmppから開放電圧側に変更させる電圧変化量、もしくは太陽電池の出力電流を減少させる電流変化量である。制御器52で得られた上記の発電抑制電力指令値は、リミッタ62によりその上限値および下限値がそれぞれ制限される。
次に、前記動作状態X−3(図4)のように、太陽電池1の発電量が常用負荷4の消費電力を下回った場合、DCリンク電圧Vlinkは降下する。このため、DCリンク電圧Vlinkが目標電圧Vth1以下の値に予め設定された太陽電池不足閾値Vth3(<Vth1)を下回った場合、系統連系用インバータ9がDCリンク用コンデンサ8の充電動作を開始する。上記の太陽電池不足閾値Vth3が目標電圧Vth1と同じ値とした場合には、充放電切り替えが連続的に円滑に行える。この時、DCリンク電圧Vlinkは太陽電池不足閾値Vth3に制御される。
図11にコントローラ5による系統連系用インバータ9の充電電力制御のブロック図を示す。
DCリンク電圧Vlinkと太陽電池不足閾値Vth3の偏差より制御器53により系統連系用インバータ9の充電電力を定める充電電力指令値を決定する。上記の充電電力指令値とは、例えば系統連系用インバータ9が充電する電力値そのもの、もしくは系統連系用インバータ9が充電する目標電流値である。制御器53で得られた上記の充電電力指令値は、リミッタ63によりその上限値および下限値がそれぞれ制限される。
次に、前記動作状態X−6(図7)のように、電力系統3が系統事故により異常な状態であるとき、系統連系用インバータ9による充放電能力が大きく損なわれる。このとき、太陽電池1の発電量が常用負荷4の消費電力を下回る場合、DCリンク電圧Vlinkは太陽電池不足閾値Vth3よりも更に降下する。DCリンク電圧Vlinkが太陽電池不足閾値Vth3よりも低く予め設定された系統不足閾値Vth4(<Vth3)を下回った場合、双方向DC/DCコンバータ7が蓄電池2の放電動作を開始する。このとき、DCリンク電圧Vlinkは系統不足閾値Vth4に制御される。
図12にコントローラ5による双方向DC/DCコンバータ7の放電電力制御のブロック図を示す。
DCリンク電圧Vlinkと系統不足閾値Vth4の偏差より制御器54により双方向DC/DCコンバータ7の蓄電池2からの放電電力を定める放電電力指令値を決定する。上記の放電電力指令値とは、例えば双方向DC/DCコンバータ7が蓄電池2から放電させる電力値そのもの、もしくは双方向DC/DCコンバータ7が蓄電池2から放電させる目標電流値である。制御器54で得られた上記の放電電力指令値は、リミッタ64によりその上限値および下限値がそれぞれ制限される。
また、図13に示す動作状態X−8のように、電力系統3が異常であるために系統連系用インバータ9の充放電能力が大きく損なわれており、かつ太陽電池1の発電電力および蓄電池2の最大放電電力の合計が常用負荷4の消費電力を下回る場合、DCリンク電圧Vlinkは系統不足閾値Vth4よりも更に降下する。そして、DCリンク電圧Vlinkが系統不足閾値Vth4よりも低い値に予め設定された下限値Vth5(<Vth4)まで下がったときには、コントローラ5は過負荷と判断して電力変換装置の動作を停止する。
図14はこの実施の形態1において、電力系統3の事故発生などの系統異常が発生した場合にのみ蓄電池2からの放電を実施して常用負荷4に対して常に安定した電力供給を行う第1の制御モードを実施する場合の、DCリンク電圧Vlinkの変化に対する太陽電池1の制御状態、蓄電池2の放電状態、および系統連系用インバータ9の充放電動作状態をまとめたものである。以下、図14を用いてこれらの動作状態について説明する。
DCリンク電圧Vlinkが目標電圧Vth1に制御されている基本状態である状態Cから、太陽電池1の最大発電電力が系統連系用インバータ9の放電限界を超えた場合、DCリンク電圧Vlinkが上昇し、状態Bを経由して状態Aに移行する。これに応じて、DCリンク電圧Vlinkが太陽電池抑制閾値Vth2に制御されるように太陽電池1の発電電力が抑制される。
次に、基本状態である状態Cから太陽電池1の発電電力量が常用負荷4の消費電力量を下回った場合、DCリンク電圧Vlinkが減少して状態Dを経由して状態Eに移行する。これに応じて、系統連系用インバータ9はDCリンク用コンデンサ8へのり充電動作を開始し、DCリンク電圧Vlinkが太陽電池不足閾値Vth3に制御されるように電力系統3より電力の供給を受ける。
次に、電力系統3に瞬時電圧低下、あるいは停電が発生し、かつ太陽電池1の発電電力量が常用負荷4の消費電力量を下回った場合には、DCリンク電圧Vlinkは状態Eから更に減少し、状態Fを経由して状態Gに移行する。これに応じて、双方向DC/DCコンバータ7が出力動作を開始し、DCリンク電圧Vlinkが系統不足閾値Vth4に制御されるように蓄電池2の放電を行う。
次に、電力系統3に瞬時電圧低下、もしくは停電が発生し、かつ太陽電池1の発電電力量と蓄電池2の合計の最大放電電力が、常用負荷4の消費電力量を下回った場合には、DCリンク電圧Vlinkは状態Gから更に減少し、状態Hを経由して状態Iに移行する。これに応じて、コントローラ5は、過負荷と判断して装置の動作を停止する。
以上のように、この実施の形態1では、電力系統3に併設される系統連系用の分散型電源である太陽電池1および蓄電池2を連系し、各負荷4、11への電力供給の優先順位を太陽電池1、電力系統3、蓄電池2の順になるような第1の制御モードを採用することで、電力系統3の異常時においても常用負荷4へ無瞬断で電力を供給して長時間のバックアップを実現することができる。
また、一般的な太陽電池用のパワーコンディショナは、太陽電池電圧を昇圧するDC/DCコンバータと系統に連係するDC/ACインバータで構成されており、個別の場合は5種の変換器が必要であるのに対して、この実施の形態1では、2つのDC/DCコンバータ6、7と2つのインバータ9、10の4種の変換器を備えることで、常時、インバータ方式の無停電電源装置と系統連系用インバータの両機能を満足することができるので、省スペース化、低コスト化が期待できる。
実施の形態2.
この実施の形態2における電力変換装置の基本的な構成は、図1に示した実施の形態1の場合と同じであるので、ここでは詳しい説明は省略する。
この実施の形態2における電力変換装置は、電力系統3から電力供給を受ける買電電力をゼロ、もしくは一定値以下になるように抑える制御を行う、いわゆるピークカット運転を行う。このように、電力系統3からの買電電力を抑えるためには、電力系統3のピークカット運転が蓄電池2の放電により実現されるように、各負荷4、11への電力供給の優先順位が太陽電池1、蓄電池2、電力系統3の順になるような制御モードを採用する。そして、このような制御モードが特許請求の範囲における第2の制御モードに対応している。
以下、この第2の制御モードについて、図2および図15〜図17を用いて説明する。なお、各図中の矢印内の数値は電力の大きさの絶対値を示している。また、矢印の向きは電力の流れる方向を示している。なお、ここでは電力系統3からの買電電力をゼロとした場合を例とし、太陽電池1の発電状態、常用負荷4および一般負荷11の消費電力と電力系統3の受電電力の流れを説明する。
図2はこの実施の形態2における動作状態Y−1での電力の流れを示している。
最大電力点に追従するように制御されている太陽電池1の発電電力が常用負荷4および一般負荷11の消費電力を上回っている場合、系統連系用インバータ9は放電し、太陽電池1の発電電力と両負荷4、11の全消費電力との差分となる余剰電力を電力系統3に対して売電できる。
図15はこの実施の形態2における動作状態Y−2での電力の流れを示している。
最大電力点に追従するように制御されている太陽電池1の発電電力が常用負荷4の消費電力を上回っているが、一般負荷11の消費電力まで賄えない場合、双方向DC/DCコンバータ7は、常用負荷4と一般負荷11の全消費電力と太陽電池1の発電電力との差分を蓄電池2から放電させ、太陽電池1の発電電力と蓄電池2の放電電力をDCリンク用コンデンサ8で合成し、系統連系用インバータ9は一般負荷11に、定電圧インバータ10は常用負荷4にそれぞれ消費電力分を送電する。
図16はこの実施の形態2における動作状態Y−3での電力の流れを示している。
最大電力点に追従するように制御されている太陽電池1の発電電力と蓄電池2の最大放電電力の合計が、常用負荷4の消費電力を上回っているものの、一般負荷11と常用負荷4との合計の消費電力を下回っている場合、電力系統3からその不足電力分の供給を受ける。
図17はこの実施の形態2における動作状態Y−4での電力の流れを示している。
最大電力点に追従するように制御されている太陽電池1の発電電力と蓄電池2の最大放電電力の合計が常用負荷4の消費電力を下回っている場合、系統連系用インバータ9はDCリンク用コンデンサ8への充電動作を開始し、電力系統3から一般負荷11の消費電力と常用負荷4の消費電力に対する不足電力分の供給を受ける。
なお、この実施の形態2においても、系統事故時の電力の流れは、実施の形態1で示したX−5、X−6、X−7と同様であるので詳しい説明は省略する。
このように、この実施の形態2において、コントローラ5は、少なくともY−1〜Y4およびX5〜X7の7つの動作状態を満足するための制御を行っている。ここで、系統連系用インバータ9は、出力電流を目標電流に制御する電流制御型電圧インバータ方式で動作しており、また定電圧インバータ10は、出力電圧を目標電圧に制御する電圧制御型電圧インバータ方式で動作している。
そのため、コントローラ5は、DCリンク用コンデンサ8のDCリンク電圧Vlinkを検出しており、このDCリンク電圧Vlinkが制御目標となる目標電圧Vth6となるように蓄電池2が放電する電力を制御している。
図18にコントローラ5による双方向DC/DCコンバータ7の出力制御のブロック図を示す。
DCリンク電圧Vlinkと目標電圧Vth6の偏差より制御器55により双方向DC/DCコンバータ7が蓄電池2から放電する放電電力を定める放電電力指令値を決定する。制御器55は比例制御や比例積分制御に代表される制御手段を有している。上記の放電電力指令値とは、例えば双方向DC/DCコンバータ7により蓄電池2から出力される目標電力値もしくは目標電流値である。制御器55で得られた上記の放電電力指令値は、リミッタ65によりその上限値および下限値がそれぞれ制限される。
太陽電池1の出力を制御するDC/DCコンバータ6は、山登り法に代表される最大電力点追従制御を実施している。ここで、前記動作状態X−5(図6)のように、太陽電池1の発電量が各インバータ9、10の最大出力電力を上回った場合、DCリンク電圧Vlinkは上昇する。このため、DCリンク電圧Vlinkが目標電圧Vth6より高い値に予め設定された太陽電池抑制閾値Vth7(>Vth6)を超えた場合には、太陽電池1の出力電圧を最大電力点電圧Vmppよりも高い電圧に制御することにより発電電力を抑制する。この時、DCリンク電圧Vlinkは太陽電池抑制閾値Vth7に制御される。
図19にコントローラ5による太陽電池1の出力電力抑制制御のブロック図を示す。
DCリンク電圧Vlinkと太陽電池抑制閾値Vth7の偏差より制御器56により太陽電池1に対する発電抑制電力を定める発電抑制電力指令値を決定する。上記の発電抑制電力指令値とは、例えば太陽電池電圧の制御目標電圧を最大電力点電圧Vmppから開放電圧側に変更させる電圧変化量、もしくは太陽電池1の出力電流を減少させる電流減少量である。制御器56で得られた上記の発電抑制電力指令値は、リミッタ66によりその上限値および下限値がそれぞれ制限される。
コントローラ5は、電力系統3に流れる買電電力Pgridを検出しており、この買電電力Pgridが制御目標となる目標買電電力Pth1となるように系統連系用インバータ9の出力電力、つまりは出力電流を決定する。
図20にコントローラ5による系統連系用インバータ9の買電電力制御のブロック図を示す。
買電電力Pgridと目標買電電力Pth1の偏差より制御器57により系統連系用インバータ9の出力電力を定める出力電力指令値を決定する。上記の出力電力指令値とは、例えば系統連系用インバータ9が出力する電力値、もしくは系統連系用インバータ9が出力する目標電流値である。制御器57で得られた上記の出力電力指令値は、リミッタ67によりその上限値および下限値がそれぞれ制限される。なお、この実施の形態2では、買電電力の目標値をゼロとして説明しているので、このとき、上記の目標買電電力Pth1は、“0”ということになる。
次に、前記動作状態Y−3(図16)のように、最大電力点に追従するように制御されている太陽電池1の発電電力と蓄電池2の最大放電電力の合計が、常用負荷4の消費電力を上回っているものの、一般負荷11と常用負荷4との合計の消費電力を下回っている場合、DCリンク電圧Vlinkは降下する。このため、DCリンク電圧Vlinkが目標電圧Vth6以下の値に予め設定された蓄電池不足閾値Vth8(<Vth6)を下回った場合、系統連系用インバータ9からの出力電力を抑制する制御を開始し、電力系統3からの電力供給が開始される。この時、DCリンク電圧Vlinkは蓄電池不足閾値Vth8に制御される。
図21にコントローラ5による系統連系用インバータ9の出力電力抑制制御のブロック図を示す。
DCリンク電圧Vlinkと蓄電池不足閾値Vth8の偏差より制御器58により系統連系用インバータの出力電力の抑制値を定めるインバータ出力電力抑制指令値を決定する。上記のインバータ出力電力抑制指令値とは、例えば系統連系用インバータ9が抑制する出力電力値そのもの、もしくは系統連系用インバータ9が抑制する出力電流値である。制御器58で得られた上記のインバータ出力電力抑制指令値は、リミッタ68によりその上限値および下限値がそれぞれ制限される。
次に、前記動作状態Y−4(図17)のように、太陽電池1の発電電力と蓄電池2の最大放電出力の合計値が常用負荷4の消費電力を下回っている場合、系統連系用インバータ9の放電を停止したとしてもDCリンク電圧Vlinkは蓄電池不足閾値Vth8よりも更に降下する。DCリンク電圧Vlinkが蓄電池不足閾値Vth8よりも低く予め設定された直流電力不足閾値Vth9を下回った場合、系統連系用インバータ9はDCリンク用コンデンサ8の充電動作を開始し、電力系統3からDCリンク用コンデンサ8を充電する。この時、DCリンク電圧Vlinkは直流電力不足閾値Vth9に制御される。この直流電力不足閾値Vth9が上記の蓄電池不足閾値Vth8と同じ値とした場合、系統連系用インバータ9の充放電切り替えが連続的に円滑に実行できる。
図22にコントローラ5による系統連系用インバータ9の充電電力制御のブロック図を示す。
DCリンク電圧Vlinkと直流電力不足閾値Vth9の偏差より制御器59により系統連系用インバータ9の電力系統3からの充電電力を定める充電電力指令値を決定する。上記の充電電力指令値とは、例えば系統連系用インバータ9が充電する出力電力値そのもの、もしくは系統連系用インバータ9が制御する充電電流値である。制御器59で得られた上記の充電電力指令値は、リミッタ69によりその上限値および下限値がそれぞれ制限される。
また、前記動作状態X−8(図13)のように、電力系統3が系統事故により異常な状態であるとき、系統連系用インバータ9の充放電能力が大きく損なわれる。このとき、太陽電池1の発電電力および蓄電池2の最大放電電力の合計が常用負荷4の消費電力を下回る場合、DCリンク電圧Vlinkは直流電力不足閾値Vth9よりも更に降下する。そして、DCリンク電圧Vlinkが直流電力不足閾値Vth9よりも低い値に予め設定された直流下限値Vth10(<Vth9)まで下がったときには、コントローラ5は過負荷と判断して電力変換装置の動作を停止する。
図23は、この実施の形態2において、電力系統3から電力供給を受ける買電電力をゼロ、もしくは一定値以下に抑える制御を行う、いわゆるピークカット運転を行う第2の制御モードを実施する場合の、DCリンク電圧Vlinkの変化に対する太陽電池1の制御状態、蓄電池2の放電状態、および系統連系用インバータ9の充放電動作状態をまとめたものである。以下、図23を用いてこれらの動作状態について説明する。
DCリンク電圧Vlinkが目標電圧Vth6に制御されている基本状態である状態Lから、太陽電池1の最大発電電力が系統連系用インバータ9の放電量を超えた場合、DCリンク電圧Vlinkが上昇し、状態Kを経由して状態Jに移行する。これに応じて、DCリンク電圧Vlinkが太陽電池抑制閾値Vth7に制御されるように太陽電池1の発電電力が抑制される。
次に、基本状態である状態Lから太陽電池1の発電電力および蓄電池2の最大発電電力が常用負荷4と一般負荷11の合計の消費電力量を下回った場合、DCリンク電圧Vlinkは減少して状態Mを経由して状態Nに移行する。これに応じて、系統連系用インバータ9は放電電力が抑制され、DCリンク電圧Vlinkが蓄電池不足閾値Vth8に制御されるように電力系統3より一般負荷11へ電力の供給を受ける。
次に、状態Nから太陽電池1の発電電力および蓄電池2の合計の最大発電電力が常用負荷4の消費電力量を下回った場合、DCリンク電圧Vlinkは更に減少し、状態Oを経由して状態Pに移行する。これに応じて、系統連系用インバータ9はDCリンク用コンデンサ8への充電動作を開始し、DCリンク電圧Vlinkが直流電力不足閾値Vth9に制御されるように電力系統3より電力の供給を受ける。
次に、電力系統3に瞬時電圧低下、もしくは停電が発生し、かつ太陽電池1の発電電力量と蓄電池2の合計の最大放電電力が常用負荷4の消費電力量を下回った場合には、DCリンク電圧Vlinkは状態Pから更に減少し、状態Qを経由して状態Rに移行する。これに応じて、コントローラ5は、過負荷と判断して装置の動作を停止する。
以上のように、この実施の形態2では、各負荷4、11への電力供給の優先順位を太陽電池1、蓄電池2、電力系統3の順になるような第2の制御モードを採用することで、電力系統3から購入する電力が一定電力を越えないように制御するピークカット運転を容易に実施することができる。しかも、このピークカット運転中でも常用負荷に対して必要な電力を安定して供給することができる。
実施の形態3.
この実施の形態3では、DCリンク電圧Vlinkを制御する際に使用する実施の形態1で示した目標電圧Vth1と太陽電池抑制閾値Vth2との間、あるいは、実施の形態2で示した目標電圧Vth6と太陽電池抑制閾値Vth7の間に、余剰電力充電閾値Vth11を設定する。
例えば、上記の実施の形態2において、余剰電力充電閾値Vth11を設定した場合について、太陽電池1の発電量が各インバータ9、10の出力電力を上回った場合、DCリンク電圧Vlinkは上昇を始める。ここで、DCリンク電圧Vlinkが上記の余剰電力充電閾値Vth11を超えた場合、双方向DC/DCコンバータ7は蓄電池2への充電動作を開始する。そして、この充電電力は、DCリンク電圧Vlinkが余剰電力充電閾値Vth11に制御されるように決定される。
しかし、蓄電池2への充電可能電力、常用負荷4、および一般負荷11の消費電力の合計よりも更に太陽電池1の発電電力が高い場合には、DCリンク電圧Vlinkは太陽電池抑制閾値Vth7まで更に上昇するので、これに応じて太陽電池1の発電電力の抑制が開始される。
図24にコントローラ5による双方向DC/DCコンバータ7の蓄電池2に対する余剰電力充電制御のブロック図を示す。
DCリンク電圧Vlinkと余剰電力充電閾値Vth11の偏差より制御器70により双方向DC/DCコンバータ7の蓄電池2に対する充電電力を定める充電電力指令値を決定する。制御器70で得られた上記の充電電力指令値は、リミッタ80によりその上限値および下限値がそれぞれ制限される。
なお、図25はこの実施の形態3において、電力系統3から電力供給を受ける買電電力をゼロ、もしくは一定値以下に抑える制御を行う、いわゆるピークカット運転を行う第2の制御モードを実施する際に、余剰電力充電閾値Vth11を設定した場合のDCリンク電圧Vlinkの変化に対する太陽電池1の制御状態、蓄電池2の放電状態、および系統連系用インバータ9の充放電動作状態をまとめたものである。
この実施の形態3によれば、実施の形態1あるいは実施の形態2の効果に加えて、太陽電池1の余剰電力を電力系統3へ逆潮流できない場合に蓄電池2への充電が可能となるので、太陽電池1の発電ロスを抑えることができる。
実施の形態4.
図26はこの実施の形態4における電力変換装置の構成図であり、図1に示した構成と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。
この実施の形態4の特徴は、系統連系用インバータ9を電力系統3または常用負荷4に択一的に接続する第1の切替器14と、定電圧インバータ10を電力系統3または常用負荷4に択一的に接続する第2の切替器15とを備え、コントローラ5は、第1、第2の切替器14、15による接続切り替えを制御するように構成されていることである。
その他の構成については、図1に示した場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
この実施の形態4において、通常状態では第1の切替器14は電力系統3への接続端子に、また第2の切替器15は常用負荷4への接続端子にそれぞれ接続されている。
ここで、常用負荷4の消費電力が定電圧インバータ10の出力可能限界を超えており、かつ太陽電池1の発電電力が十分大きくて常用負荷4の消費電力よりも高い値に予め設定される単独発電可能閾値を超えている場合、コントローラ5により第1の切替器14に対して接続先を変更する指令を与え、第1の切替器14の接続先を電力系統3から常用負荷4の接続端に切り替え、かつ系統連系用インバータ9は電圧制御型電圧インバータ方式で出力制御を行う。これにより、従来よりも大きな電力を要する常用負荷4を利用することができる。
また、利用する常用負荷4が存在しない場合、コントローラ5により第2の切替器15に対して接続先を変更する指令を与え、第2の切替器15の接続先を常用負荷4の接続端から電力系統3に接続端に切り替え、かつ定電圧インバータ10は電流制御型電圧インバータ方式で出力制御を行う。これにより、従来よりも大きな発電容量をもつ太陽電池1の発電電力を売電可能となる。
また、系統連系用インバータ9と定電圧インバータ10の出力電力容量が異なる場合は、常用負荷4の消費電力、一般負荷11の消費電力、および電力系統3へ供給する電力の大きさに応じて、系統連系用インバータ9と定電圧インバータ10の内、各出力電力を放電可能なインバータが選択されるように、第1、第2の切替器14、15により接続を切り替えることで、インバータと負荷を適宜選択することが可能となる。
例えば、系統連系用インバータ9の定格出力電力が2kVAであり、定電圧インバータ10の定格出力電力が4kVAである場合に、常用負荷4の消費電力が2kVA以下であるならば、系統連系用インバータ9が常用負荷4へ電力を供給するように第1の切替器14の接続を切り替え、また、定電圧インバータ10が電力系統3に電力を供給するように第2の切替器15の接続を切り替える。これにより、電力系統3への供給能力を向上することができ、また、系統連系用インバータ9と定電圧インバータ10の内、1台は小さい容量品を設置できるので、コストを抑えることが可能となる。
なお、この発明は、上記の実施の形態1〜4の構成のみに限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、各実施の形態1〜4の構成に変形を加えたり、構成を一部省略することができ、更に、各実施の形態1〜4を適宜に組み合わせることが可能である。
例えば、上記の実施の形態1〜4では分散型電源として太陽電池1を採用しているが、これに限らず燃料電池や直流出力可能な風力発電用パワーコンディショナなどの他の分散型電源を用いることもでき、また、このような分散型電源と組み合わせれば、太陽電池1が発電しない天候時や時間であっても長時間のバックアップを実現できるので都合が良い。
また、この実施の形態1〜4では、DCリンク用コンデンサ8には、2台のDC/DCコンバータ6、7を並列接続した構成としているが、DC/DCコンバータの入力数はこのような2台に限らず、3台以上のDC/DCコンバータを利用して多数の分散型電源と連携して動作させる構成とすることも可能である。
また、上記の実施の形態1では、コントローラ5は、図9〜図12に示す構成の制御部を備えたものとし、また、上記の実施の形態2では、コントローラ5は、図18〜図22に示す構成の制御部を備えたものとし、更に、上記の実施の形態3では、更に図24に示す構成の制御部を備えたものとしているが、これらの各制御部は、専用のハードウェアで構成するだけでなく、所定のプログラムをインストールするなどしてソフトウェアで構成することが可能である。
1 太陽電池、2 蓄電池、3 電力系統、4 常用負荷、5 コントローラ、
6 DC/DCコンバータ、7 双方向DC/DCコンバータ、
8 DCリンク用コンデンサ、
9 系統連系用インバータ(第1のDC/ACインバータ)、
10 定電圧インバータ(第2のDC/ACインバータ)、11 一般負荷、
14 第1の切替器、15 第2の切替器。

Claims (10)

  1. 直流電圧を出力する分散型電源の入力電圧を異なる電圧に変圧してDCリンク用コンデンサに出力可能な第1のDC/DCコンバータと、蓄電池と上記DCリンク用コンデンサとの間で互いに電力を双方向に流せる第2のDC/DCコンバータと、上記DCリンク用コンデンサを入力源として電力系統と連系して運転する第1のDC/ACインバータと、上記DCリンク用コンデンサを入力源として停電対策が必要な常用負荷に対して電力を供給する第2のDC/ACインバータと備えるとともに、上記第1、第2のDC/DCコンバータおよび上記第1、第2のDC/ACインバータを制御するコントローラを含み、
    上記コントローラは、上記蓄電池の放電を系統事故時にのみ実行する第1の制御モードと、上記電力系統からの買電電力を一定値以下に抑えるために実行する第2の制御モードとの少なくとも一方を実行するものであること特徴とする電力変換装置。
  2. 上記分散型電源は最大電力点に追従して制御されており、上記第1の制御モードを実行する場合、上記コントローラには、
    上記DCリンク用コンデンサの電圧を検出して得られるDCリンク電圧とこのDCリンク電圧の目標値となる目標電圧とを比較し、上記第1のDC/ACインバータの出力電力指令値を決定する制御部と、
    上記目標電圧よりも高い値に設定された第1の閾値と上記DCリンク電圧とを比較し、上記分散型電源の発電抑制電力指令値を決定する制御部と、
    上記目標電圧よりも低い値に設定された第2の閾値と上記DCリンク電圧とを比較し、上記第1のDC/ACインバータの放電を停止して上記電力系統から上記DCリンク用コンデンサを充電するための充電電力指令値を決定する制御部と、
    上記第2の閾値よりも低い値に設定された第3の閾値と上記DCリンク電圧とを比較し、上記第2のDC/DCコンバータが放電する上記蓄電池の放電電力指令値を決定する制御部と、
    が構成されていることを特徴とする請求項1の記載の電力変換装置。
  3. 上記分散型電源は最大電力点に追従して制御されており、上記第2の制御モードを実行する場合、上記コントローラには、
    上記DCリンク用コンデンサの電圧を検出して得られるDCリンク電圧とこのDCリンク電圧の目標値となる目標電圧とを比較し、上記第2のDC/DCコンバータが上記蓄電池から放電する放電電力指令値を決定する制御部と、
    上記目標電圧よりも高い値に設定された第4の閾値と上記DCリンク電圧とを比較し、上記分散型電源の発電抑制電力指令値を決定する制御部と、
    上記電力系統から購入する買電電力を検出し、この検出した買電電力と買電電力目標値とを比較し、上記第1のDC/ACインバータの出力電力指令値を決定する制御部と、
    上記目標電圧よりも低い値に設定された第5の閾値と上記DCリンク電圧とを比較し、上記第1のDC/ACインバータの出力電力を低下させるインバータ出力電力抑制指令値を決定する制御部と、
    上記第5の閾値よりも低い値に設定された第6の閾値と上記DCリンク電圧とを比較し、上記第1のDC/ACインバータの放電を停止して上記電力系統から上記DCリンク用コンデンサを充電するための充電電力指令値を決定する制御部と、
    が構成されていることを特徴とする請求項1の記載の電力変換装置。
  4. 上記DCリンク電圧が上記目標電圧と上記第1の閾値との間に予め設定された第7の閾値を超えたときに、上記第2のDC/DCコンバータが上記蓄電池の充電を開始してその充電電力指令値を決定する制御部を備えることを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。
  5. 上記DCリンク電圧が上記目標電圧と上記第4の閾値との間に予め設定された第8の閾値を超えたときに、上記第2のDC/DCコンバータが上記蓄電池の充電を開始しその充電電力指令値を決定する制御部を備えることを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。
  6. 上記第1のDC/ACインバータを上記電力系統または上記常用負荷に択一的に接続する第1の切替器と、上記第2のDC/ACインバータを上記電力系統または上記常用負荷に択一的に接続する第2の切替器とを備え、
    上記コントローラは、上記第1、第2の切替器による接続切り替えを制御することを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電力変換装置。
  7. 上記コントローラは、上記第1、第2のDC/ACインバータの出力電力容量、上記常用負荷の消費電力、および上記電力系統に供給する電力の大きさに応じて上記第1、第2のDC/ACインバータの少なくとも一つが接続されるように上記第1、第2の切替器による接続切り替えを制御することを特徴とする請求項6に記載の電力変換装置。
  8. 上記分散型電源は、太陽電池であることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の電力変換装置。
  9. 上記分散型電源は、燃料電池であることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の電力変換装置。
  10. 上記分散型電源は、直流出力可能な風力発電用パワーコンディショナであることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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