JP2017135889A - 電力変換装置、及び電力変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】系統以外の経路から蓄電部を充電する。【解決手段】ＤＣ−ＤＣコンバータ４１は、蓄電部３から放電される直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力をバスラインへ供給可能に構成され、前記バスラインの直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力を蓄電部３へ充電可能に構成される。ＤＣ−ＡＣコンバータ４２は、前記バスラインの直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を系統５及び系統５から切り離された出力経路の何れかに出力可能に構成され、系統５の交流電力を直流電力に変換し前記バスラインへ供給可能に構成される。所定の状態において外部から前記バスラインへ直流電力を供給する直流経路が設けられる。【選択図】図１

Description

本発明は、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換装置、及び電力変換システムに関する。

太陽電池と蓄電池を備える発電システムが普及してきている。近年、太陽電池のパワーコンディショナと蓄電池のパワーコンディショナを一体化したシステムも実用化されているが、太陽電池のパワーコンディショナと蓄電池のパワーコンディショナを別々に構成するシステムも存在する（例えば、特許文献１参照）。例えば、既存の太陽光発電システムに蓄電システムを後付けする場合、パワーコンディショナが別々に設置される。

特開２０１２−０５５０５９号公報

太陽電池のパワーコンディショナと蓄電池のパワーコンディショナを別々に構成するシステムでは通常、商用電力系統（以下、単に系統という）に接続された交流の配電線を経由して、太陽電池から蓄電池に充電される。

しかしながら、このようなＡＣリンクで太陽電池から蓄電池に充電することができない場合がある。例えば、電気事業者からデマンドレスポンス抑制指令を受信したとき、パワーコンディショナ内にて系統電圧の上昇に起因する出力抑制が発動したとき、系統が停電したとき等が該当する。いずれの場合も太陽電池のパワーコンディショナから、交流の配電線に出力できる電力が制限されるため、当該配電線を経由した蓄電池への充電も制限される。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、系統以外の経路から蓄電部を充電することができる電力変換装置、及び電力変換システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の電力変換装置は、蓄電部から放電される直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力をバスラインへ供給可能に構成され、前記バスラインの直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力を前記蓄電部へ充電可能に構成される双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、前記バスラインの直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を系統及び前記系統から切り離された出力経路の何れかに出力可能に構成され、前記系統の交流電力を直流電力に変換し前記バスラインへ供給可能に構成される双方向ＤＣ−ＡＣコンバータと、所定の状態において外部から前記バスラインへ直流電力を供給する直流経路と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、系統以外の経路から蓄電部を充電することができる電力変換装置、及び電力変換システムを実現できる。

本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態４に係る電力変換装置の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態５に係る電力変換装置の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態６に係る電力変換装置の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態７に係る電力変換システムの構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態８に係る電力変換システムの構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態９に係る電力変換装置の構成を説明するための図である。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置４の構成を説明するための図である。電力変換装置４は、蓄電部３から放電される直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を系統５または系統５と切り離された自立出力経路に出力する。また第２電力変換装置４は、系統５から供給される交流電力を直流電力に変換し、当該直流電力で蓄電部３を充電する。蓄電部３には、リチウムイオン蓄電池、ニッケル水素蓄電池、鉛蓄電池、電気二重層コンデンサ等を使用することができる。なお蓄電部３は、電力変換装置４の筐体内に設置される構成でもよい。

電力変換装置４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１、ＤＣ−ＡＣコンバータ４２、制御部４３、連系リレーＲＹ３及び自立リレーＲＹ４を含む。

ＤＣ−ＤＣコンバータ４１は蓄電部３を充放電するための双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。ＤＣ−ＤＣコンバータ４１は充電時、バスラインから供給される直流電力を定電圧（ＣＶ）または定電流（ＣＣ）で蓄電部３に充電する。例えば、蓄電部３の電圧が設定電圧に到達するまで定電流で充電し、設定電圧から満充電電圧に到達するまで定電圧で充電する。ＤＣ−ＤＣコンバータ４１は放電時、蓄電部３から供給される直流電力を定電圧または定電流でバスラインに放電する。

ＤＣ−ＡＣコンバータ４２は双方向インバータである。ＤＣ−ＡＣコンバータ４２の出力側には、連系リレーＲＹ３と自立リレーＲＹ４が並列に接続される。連系リレーＲＹ３はＤＣ−ＡＣコンバータ４２と系統５との間に挿入され、電力変換装置４と系統５との連系または非連系を切り替える。自立リレーＲＹ４はＤＣ−ＡＣコンバータ４２と自立出力経路との間に挿入され、自立出力経路への通電または非通電を切り替える。自立出力経路の先端には、自立負荷７（例えば、非常用照明）を接続することができ、停電時において蓄電部３から自立負荷７に電源供給することができる。

電力変換装置４と系統５とを繋ぐ配電線には一般負荷６が接続され、一般負荷６は当該配電線から交流電力の供給を受ける。また当該配電線に電流センサＣＴ１が設置され、電流センサＣＴ１は、当該配電線を流れる電流の値を検出し、制御部４３に出力する。

系統連系モードにおいて、ＤＣ−ＡＣコンバータ４２は放電時、バスラインから供給される直流電力を交流電力に変換して、当該交流電力を系統５に接続された配電線に出力する。充電時、系統５から入力される交流電力を直流電力に変換して、当該直流電力をバスラインに出力する。自立モードにおいてＤＣ−ＡＣコンバータ４２は、バスラインから供給された直流電力を所定の電圧の交流電力に変換して自立出力経路に出力する。

制御部４３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１、ＤＣ−ＡＣコンバータ４２、連系リレーＲＹ３及び自立リレーＲＹ４を制御する。制御部４３の構成は、ハードウェア資源とソフトウェア資源の協働、またはハードウェア資源のみにより実現できる。ハードウェア資源としてアナログ素子、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＦＰＧＡ、その他のＬＳＩを利用できる。ソフトウェア資源としてファームウェア等のプログラムを利用できる。

制御部４３は平常時、電力変換装置４を系統連系モードで運転する。系統５が停電している場合、電力変換装置４を自立モードで運転する。電力変換装置４が系統連系モードで運転されるとき、制御部４３は連系リレーＲＹ３を閉状態、及び自立リレーＲＹ４を開状態に制御する。

系統連系モードにおいて制御部４３は放電時、蓄電部３から定電圧または定電流で直流電力を放電させるための駆動信号を生成し、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１に供給する。また制御部４３は充電時、ＤＣ−ＡＣコンバータ４２から入力される直流電力を定電圧または定電流で蓄電部３に充電させるための駆動信号を生成し、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１に供給する。

また系統連系モードにおいて制御部４３は放電時、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１から入力される直流電力を、系統５の電圧および周波数に対応した交流電力に変換するための駆動信号を生成し、ＤＣ−ＡＣコンバータ４２に供給する。また制御部４３は充電時、系統５から供給される交流電力を所定の電圧の直流電力に変換するための駆動信号を生成し、ＤＣ−ＡＣコンバータ４２に供給する。

電力変換装置４が自立モードで運転されるとき、制御部４３は連系リレーＲＹ３を開状態、及び自立リレーＲＹ４を閉状態に制御する。また制御部４３は、蓄電部３から所定の電圧の直流電力を出力させるための駆動信号を生成し、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１に供給する。また制御部４３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１から入力される直流電力を、所定の電圧（例えば、ＡＣ１００Ｖ）の交流電力に変換するための駆動信号を生成し、ＤＣ−ＡＣコンバータ４２に供給する。

また制御部４３は、電流センサＣＴ１から入力される電流値の極性をもとに逆潮流を検出する。２０１６年現在、日本では蓄電池から系統への逆潮流が禁止されているため、制御部４３は逆潮流を検出している間、蓄電部３からの放電を停止させる。

本実施の形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１とＤＣ−ＡＣコンバータ４２間のバスラインと、外部機器から直流電力を入力および／または外部機器に直流電力を出力するための端子Ｔｄとの間に直流経路が形成される。端子Ｔｄには直流ケーブルを接続することができる。例えば、太陽電池等の発電装置に接続された直流ケーブルを端子Ｔｄに接続して、当該発動装置から直流電力の供給を受けることができる。また直流負荷に接続された直流ケーブルを端子Ｔｄに接続して、電力変換装置４から当該負荷に直流電力を供給することもできる。

以上説明したように実施の形態１によれば、電力変換装置４に接続された蓄電部３を、系統５以外の外部直流電源から直流経路を介して充電することができる。また蓄電部３から、系統５及び自立出力経路以外の直流経路を介して、直流負荷に直流電力を供給することができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置４の構成を説明するための図である。実施の形態２に係る電力変換装置４は、図１に示した実施の形態１に係る電力変換装置４の構成に直流経路スイッチＲＹ５が追加された構成である。直流経路スイッチＲＹ５は、上述の直流経路上に挿入される。直流経路スイッチＲＹ５は電気的に制御可能なスイッチであり、例えば、ＤＣリレー、ブレーカ、半導体スイッチ等が使用され、制御部４３によりオン／オフ制御される。半導体スイッチを使用する場合、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)を使用することができる。

以下、本実施の形態では端子Ｔｄに、太陽電池の電力変換装置に接続された直流ケーブルが接続されている状況を想定する。制御部４３は系統５の停電時、直流経路スイッチＲＹ５をオン状態（導通状態）に制御する。制御部２３は、系統５の停電を電力変換装置４内の系統電圧検出部（不図示）により検出される電圧をもとに検知することができる。また外部に設置される停電検知器（不図示）からの信号をもとに検知してもよい。系統５が停電している場合、太陽電池で発電された電力を系統５を介して充電することができないため、直流経路スイッチＲＹ５をオン状態にして直流ケーブルを介して充電する。なお系統５が停電していないときは制御部４３は、直流経路スイッチＲＹ５をオフ状態（非導通）に制御する。

また太陽電池の電力変換装置の制御部（不図示）から、出力抑制機能が発動することを示す外部信号を電力変換装置４の制御部４３が受信すると、制御部４３は直流経路スイッチＲＹ５をオン状態に制御する。太陽電池の電力変換装置と、蓄電部３の電力変換装置４の間は例えば、ＲＳ−４８５規格に対応したケーブルで接続され、両者の間でシリアル通信される。

電気事業者は電力を安定供給する必要があり、系統５の周波数および電圧を一定範囲に保つ必要がある。系統５に再生可能エネルギーの発電設備が多く接続されている場合、気象条件により発電量が大きく変化する。再生可能エネルギーの発電設備から系統５に供給される電力量が多くなりすぎると、系統５の周波数または電圧が基準範囲の上限を超えてしまう。その場合、電気事業者の系統管理システムは再生可能エネルギーの発電設備に出力抑制を指示するデマンドレスポンス指令を送信する。

太陽電池の電力変換装置は出力抑制機能を備えており、上記デマンドレスポンス指令を受信したとき系統５への出力電力を抑制する。また系統電圧が設定値より上昇したとき、系統５への出力電力を抑制する。例えば系統５への出力電力を当該電力変換装置の定格容量の６０％に抑制する。この場合、直流経路スイッチＲＹ５をオン状態にすることにより、直流ケーブルを介して残りの４０％の電力を、蓄電部３に充電することができる。なお太陽電池の電力変換装置において出力抑制機能が発動していないときは制御部４３は、直流経路スイッチＲＹ５をオフ状態に制御する。なおデマンドレスポンス指令は、太陽電池の電力変換装置を介さずに、電気事業者の系統管理システムから制御部４３が直接受信する構成であってもよい。

以上説明したように実施の形態２によれば、太陽電池の電力変換装置から系統５への出力電力が抑制（０％を含む）されている状態において、残りの電力を直流ケーブルを介して蓄電部３に充電することができる。これにより、太陽電池の発電能力を最大限に活用することができる。

（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３に係る電力変換装置４の構成を説明するための図である。実施の形態３に係る電力変換装置４は、図２に示した実施の形態２に係る電力変換装置４の構成にダイオードＤ１が追加された構成である。ダイオードＤ１は上述の直流経路上に挿入される。図３ではダイオードＤ１は、蓄電部３の充電方向の電流を通過し、放電方向の電流を遮断する向きに挿入されている。従って上述の直流経路は充電専用の直流経路となる。なおダイオードＤ１の向きを反対に設置してもよい。その場合、上述の直流経路は放電専用の直流経路となる。なお直流経路スイッチＲＹ５は省略可能である。また直流経路スイッチＲＹ５とダイオードＤ１の接続順は逆でもよい。

以上説明したように実施の形態３によれば、ダイオードＤ１を挿入することにより、直流ケーブルで接続された外部の直流機器と蓄電部３間の電力の方向を一方向に限定することができる。

（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４に係る電力変換装置４の構成を説明するための図である。実施の形態４に係る電力変換装置４は、図３に示した実施の形態３に係る電力変換装置４の構成にフィルタ回路４４が追加された構成である。フィルタ回路４４は上述の直流経路上に挿入される。フィルタ回路４４は例えば、ＬＣフィルタで構成することができる。フィルタ回路４４は直流経路を経由して端子Ｔｄからバスラインへ供給される電圧および電流の高調波成分を低減する。

端子Ｔｄが、系統５と連系している別の電力変換装置と直流ケーブルで接続されている場合、当該電力変換装置から系統周波数の２倍の周波数のリップルノイズが重畳される。フィルタ回路４４は当該リップルノイズを除去する。

なお直流経路スイッチＲＹ５及びダイオードＤ１の少なくとも一方は省略可能である。また直流経路スイッチＲＹ５、フィルタ回路４４、ダイオードＤ１の接続順は限定されず、任意の順番で接続することができる。なお、フィルタ回路４４にコモンモードノイズフィルタの機能を持たせてもよい。

以上説明したように実施の形態４によれば、フィルタ回路４４を挿入することにより、端子Ｔｄからバスラインへ高調波成分が重畳されることを防止することができる。

（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５に係る電力変換装置４の構成を説明するための図である。実施の形態５に係る電力変換装置４は、図４に示した実施の形態４に係る電力変換装置４の構成に対して、ダイオードＤ１が削除されてＤＣ−ＤＣコンバータ４５が追加された構成である。ＤＣ−ＤＣコンバータ４５は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであってもよいし、単方向ＤＣ−ＤＣコンバータであってもよい。いずれの場合もＤＣ−ＤＣコンバータ４５は、バスラインの電圧と外部直流機器の電圧を近づけるように、ＤＣ−ＤＣコンバータ４５の入力電圧を昇圧または降圧して出力する。

端子Ｔｄが高圧の太陽電池の電力変換装置と直流ケーブルで接続されている場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ４５は制御部４３の制御に従い、端子Ｔｄから入力される直流電圧を、バスラインの電圧まで降圧する。

なお直流経路スイッチＲＹ５及びフィルタ回路４４の少なくとも一方は省略可能である。また直流経路スイッチＲＹ５、フィルタ回路４４、ＤＣ−ＤＣコンバータ４５の接続順は限定されず、任意の順番で接続することができる。

以上説明したように実施の形態５によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ４５を挿入することにより、バスラインの電圧と大きく離れた電圧の機器を、端子Ｔｄに接続することができる。

（実施の形態６）
図６は、本発明の実施の形態６に係る電力変換装置４の構成を説明するための図である。実施の形態６に係る電力変換装置４は、図２に示した実施の形態２に係る電力変換装置４の構成に抵抗Ｒ１、過・不足電圧検出部４６、スイッチ両端電圧検出部４７、及び過電流検出部４８が追加された構成である。

過・不足電圧検出部４６は、端子Ｔｄと直流経路スイッチＲＹ５間におけるプラス配線とマイナス配線間の電圧を検出し、制御部４３に出力する。スイッチ両端電圧検出部４７は直流経路スイッチＲＹ５の両端電圧を検出し、制御部４３に出力する。

抵抗Ｒ１は、直流経路スイッチＲＹ５とバスライン間における上述の直流経路上に挿入されるシャント抵抗である。過電流検出部４８は抵抗Ｒ１の両端電圧をもとに電流を検出し、制御部４３に出力する。なおシャント抵抗の代わりに、ホール素子などの他の電流検出素子を用いてもよい。

制御部４３は直流経路スイッチＲＹ５をターンオンする前に、スイッチ両端電圧検出部４７により検出された電圧が正常な範囲に収まっているか否か判定する。例えば、端子Ｔｄに何も接続されていない場合、スイッチ両端電圧検出部４７の出力が異常値になるため、制御部４３は直流経路スイッチＲＹ５のターンオンを中止する。またスイッチ両端電圧検出部４７により検出された電圧が閾値を超えている場合も、制御部４３は直流経路スイッチＲＹ５のターンオンを中止する。当該閾値を超える高圧機器が接続されている場合、ターンオン時の突入電流が大きくなる。従って電力変換装置４の内部回路を保護するためターンオンを中止する。当該閾値は内部回路の耐圧設計にもとづき設定される。

スイッチ両端電圧検出部４７により検出された電圧が正常な範囲内の場合、制御部４３は直流経路スイッチＲＹ５をターンオンする。その状態において、過電流検出部４８により検出される電流が閾値より大きくなると（過電流発生）、制御部４３は直流経路スイッチＲＹ５をターンオフする。

また過・不足電圧検出部４６により検出された電圧をもとに、制御部４３は過電圧発生の有無、不足電圧発生の有無、及び地絡発生の有無を監視し、電圧異常が発生している場合、直流経路スイッチＲＹ５をターンオフする。なお過・不足電圧検出部４６は直流経路スイッチＲＹ５より外側を検出点としているため、直流経路スイッチＲＹ５をターンオフした後、端子Ｔｄに接続された直流経路の電圧異常が解消したか否かを監視し続けることができる。

なお過・不足電圧検出部４６、スイッチ両端電圧検出部４７及び過電流検出部４８の少なくとも１つを省略した構成も可能である。また図６にはダイオードＤ１、フィルタ回路４４、及びＤＣ−ＤＣコンバータ４５が描かれていないが、それらの少なくとも１つが直流経路に挿入された構成も可能である。

以上説明したように実施の形態６によれば、不足電圧検出部４６、スイッチ両端電圧検出部４７及び過電流検出部４８の少なくとも１つを設けることにより、電力変換装置４の内部回路を保護することができる。

（実施の形態７）
図７は、本発明の実施の形態７に係る電力変換システムの構成を説明するための図である。電力変換システムは、第１電力変換装置２及び第２電力変換装置４を備える。第１電力変換装置２は、第１太陽電池１ａ及び第２太陽電池１ｂにより発電された直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を系統５または系統５と切り離された第１自立出力経路に出力する。図７では太陽電池を２つのストリングで構成する例を示しているが、太陽電池の構成形態は任意であり特に限定されるものではない。また第１電力変換装置２はマルチストリング型であってもよいし、集中型であってもよい。なお集中型で構成する場合、接続箱（不図示）を設置する必要がある。

第１電力変換装置２は、第１．１ＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａ、第１．２ＤＣ−ＤＣコンバータ２１ｂ、第１ＤＣ−ＡＣコンバータ２２、第１制御部２３、第１連系リレーＲＹ１、第１自立リレーＲＹ２及び第１直流経路スイッチＲＹ６を含む。実施の形態７に係る第２電力変換装置４は、実施の形態１−６において説明した電力変換装置４をそのまま使用することができる。なお図７では実施の形態３において説明した電力変換装置４を使用する例を描いている。

第１．１ＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａは、第１太陽電池１ａにより発電された直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力をバスラインに出力する。第１．１ＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａは、ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御を搭載した昇圧チョッパで構成することができる。当該昇圧チョッパは、第１太陽電池１ａが最大電力点（最適動作点）で発電できるよう制御する。具体的には山登り法に従い電圧を所定のステップ幅で変化させて最大電力点を探索し、太陽電池の出力電力が最大電力点を維持するよう制御する。

第１．２ＤＣ−ＤＣコンバータ２１ｂは、第２太陽電池１ｂにより発電された直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力をバスラインに出力する。第１．２ＤＣ−ＤＣコンバータ２１ｂも、ＭＰＰＴ制御を搭載した昇圧チョッパで構成することができる。第１．１ＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａと第１．２ＤＣ−ＤＣコンバータ２１ｂの出力端子はバスラインを介して、第１ＤＣ−ＡＣコンバータ２２の入力端子に接続される。

第１ＤＣ−ＡＣコンバータ２２は、バスラインから供給される直流電力を交流電力に変換して出力する。第１ＤＣ−ＡＣコンバータ２２の出力側には、第１連系リレーＲＹ１と第１自立リレーＲＹ２が並列に接続される。

第１制御部２３は、第１．１ＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａ、第１．２ＤＣ−ＤＣコンバータ２１ｂ、第１ＤＣ−ＡＣコンバータ２２、第１連系リレーＲＹ１、第１自立リレーＲＹ２及び第１直流経路スイッチＲＹ６を制御する。第１制御部２３の構成は、ハードウェア資源とソフトウェア資源の協働、またはハードウェア資源のみにより実現できる。ハードウェア資源としてアナログ素子、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＦＰＧＡ、その他のＬＳＩを利用できる。ソフトウェア資源としてファームウェア等のプログラムを利用できる。

第１制御部２３は平常時、第１電力変換装置２を系統連系モードで運転する。系統５が停電している場合、第１電力変換装置２を自立モードで運転する。

第１電力変換装置２が系統連系モードで運転されるとき、第１制御部２３は第１連系リレーＲＹ１を閉状態、及び第１自立リレーＲＹ２を開状態に制御する。また第１制御部２３は、第１太陽電池１ａ及び第２太陽電池１ｂが最大電力点で発電できるよう制御するための駆動信号を生成し、第１．１ＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａ及び第１．２ＤＣ−ＤＣコンバータ２１ｂに供給する。また第１制御部２３は、第１．１ＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａ及び第１．２ＤＣ−ＤＣコンバータ２１ｂから入力される直流電力を、系統５の電圧および周波数に対応した交流電力に変換するための駆動信号を生成し、第１ＤＣ−ＡＣコンバータ２２に供給する。

第１電力変換装置２が自立モードで運転されるとき、第１制御部２３は第１連系リレーＲＹ１を開状態、及び第１自立リレーＲＹ２を閉状態に制御する。また第１制御部２３は、第１．１ＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａ及び第１．２ＤＣ−ＤＣコンバータ２１ｂと、第１ＤＣ−ＡＣコンバータ２２間のバスラインの電圧を所定の直流電圧に安定化させるための駆動信号を生成し、第１．１ＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａ及び第１．２ＤＣ−ＤＣコンバータ２１ｂに供給する。また第２制御部４３は、バスラインから供給される直流電力を、所定の電圧（例えば、ＡＣ１００Ｖ）の交流電力に変換するための駆動信号を生成し、第１ＤＣ−ＡＣコンバータ２２に供給する。

第１連系リレーＲＹ１及び第１自立リレーＲＹ２の接続形態は、第２連系リレーＲＹ３及び第４自立リレーＲＹ４の接続形態と同様である。第１連系リレーＲＹ１の系統５側の配電線と、第２連系リレーＲＹ３の系統５側の配電線が結合され、第１電力変換装置２及び第２電力変換装置４が系統５と連系する。当該配電線には一般負荷６が接続され、一般負荷６は当該配電線から交流電力の供給を受ける。第１電力変換装置２の第１自立出力経路の先端に第１自立負荷７ａを接続することができ、第２電力変換装置４の第２自立出力経路の先端に第２自立負荷７ｂを接続することができ、

第１電力変換装置２の配電線と第２電力変換装置４の配電線の接続点と、系統５との間の配電線に電流センサＣＴ１が設置される。電流センサＣＴ１は、当該配電線を流れる電流の値を検出し、第２電力変換装置４の第２制御部４３に出力する。

第１電力変換装置２の第１制御部２３と、第２電力変換装置４の第２制御部４３間は通信線８で接続される。例えば、ＲＳ−４８５規格に対応したケーブルで両者は接続され、シリアル通信される。

実施の形態７では、第１．１ＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａ及び第１．２ＤＣ−ＤＣコンバータ２１ｂと第１ＤＣ−ＡＣコンバータ２２間の第１バスライン上の第１ノードＮ１と、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ４１と第２ＤＣ−ＡＣコンバータ４２間の第２バスライン上の第２ノードＮ２が直流経路で接続される。すなわち、第１電力変換装置２と第２電力変換装置４のＤＣリンクが可能な構成である。

第１制御部２３は系統５の停電を検知すると、第１直流経路スイッチＲＹ６をオン状態に制御する。同様に第２制御部４３は系統５の停電を検知すると、第２直流経路スイッチＲＹ５をオン状態に制御する。なお第１制御部２３と第２制御部４３間において通信線８を介して、第１直流経路スイッチＲＹ６と第２直流経路スイッチＲＹ５をターンオンするタイミングの同期が図られてもよい。

第１制御部２３は、電気事業者からデマンドレスポンス指令を受信または系統電圧の上昇に起因して出力抑制機能を発動する場合、出力抑制発動信号を通信線８を介して第２制御部４３に通知するとともに、第１直流経路スイッチＲＹ６をターンオンする。第２制御部４３は通信線８を介して第１制御部２３から出力抑制発動信号を受信すると、第２直流経路スイッチＲＹ５をターンオンする。いずれの場合も、第１太陽電池１ａ及び第２太陽電池から蓄電部３に直流経路を介して充電される。

以上説明したように実施の形態７によれば、太陽電池から蓄電部３にＡＣリンクだけでなく、ＤＣリンクでも充電することができる。通常時は太陽電池から蓄電部３にＡＣリンクで充電されるが、第１電力変換装置２から系統５への出力電力が抑制（０％を含む）される場合は、残りの電力をＤＣリンクで蓄電部３に充電することができる。これにより、いずれの状態においても太陽電池の発電能力を最大限に活用することができる。

（実施の形態８）
図８は、本発明の実施の形態８に係る電力変換システムの構成を説明するための図である。図８では太陽電池のストリングの数が１つの場合の構成を示している。以下、実施の形態７に係る電力変換システムの構成との相違点を説明する。

実施の形態８では第１ノードＮ１を、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２１と第１ＤＣ−ＡＣコンバータ２２間ではなく、太陽電池１から第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２１への入力経路上に設定する。従って、第１電力変換装置２の筐体の外で、太陽電池１の直流出力経路を分岐させることができる。この場合、第１電力変換装置２のＤＣ−ＤＣコンバータ２１でＭＰＰＴ制御を実行することができなくなる。そこで第２電力変換装置４のＤＣ−ＤＣコンバータ４５でＭＴＴＰ制御を実行する。

実施の形態８においても第２制御部４３は系統５の停電を検知したとき、又は通信線８を介して第１制御部２３から出力抑制発動信号を受信したとき、第２直流経路スイッチＲＹ５をターンオンする。

以上説明したように実施の形態８によれば、実施の形態７と同様の効果を奏する。また実施の形態８では第１電力変換装置２の筐体の外に、太陽電池１から蓄電部３に充電するための直流経路の分岐点が形成されるため、第１電力変換装置２の内部構成を変更する必要がない。従って既存の太陽光発電システムに蓄電システムを容易に後付けすることができる。

（実施の形態９）
図９は、本発明の実施の形態９に係る電力変換装置２の構成を説明するための図である。実施の形態９に係る電力変換装置２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１、ＤＣ−ＡＣコンバータ２２、制御部２３、連系リレーＲＹ１、自立リレーＲＹ２、直流経路スイッチＲＹ６、ＤＣ−ＤＣコンバータ２４及びバイパス回路２５を備える。実施の形態９に係る電力変換装置２の構成は、実施の形態７、８において説明した第１電力変換装置２にＤＣ−ＤＣコンバータ２４及びバイパス回路２５を追加した構成である。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２１とＤＣ−ＡＣコンバータ２２間のバスラインと、直流経路スイッチＲＹ６との間における直流経路に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２４及びバイパス回路２５が並列に挿入される。バイパス回路２５は例えば、ダイオードとスイッチの直列回路で構成でき、スイッチをオフすることにより無効化できる。当該ダイオードはバスラインから端子Ｔｄ１への方向を順方向とする向きに接続される。

端子Ｔｄ１に別の太陽電池（不図示）が接続される場合、制御部２３はバイパス回路２５を無効化し、ＤＣ−ＤＣコンバータ２４にＭＰＰＴ制御を実行させる。また 端子Ｔｄ１に太陽電池以外の直流電源が接続される場合、制御部２３はバイパス回路２５を無効化し、端子Ｔｄ１から入力される直流電圧を、バスラインの電圧になるようＤＣ−ＤＣコンバータ２４に昇圧または降圧させる。端子Ｔｄ１に負荷が接続される場合、制御部２３はバイパス回路２５を有効化し、ＤＣ−ＤＣコンバータ２４の動作を停止させる。

端子Ｔｄ１に接続される機器の情報は、ユーザが操作部（不図示）から入力できる。制御部２３は操作部からの機器情報をもとに、端子Ｔｄ１に接続された機器を特定する。また端子Ｔｄ１の電圧や、外部からの通信信号をもとに制御部２３が、端子Ｔｄ１に接続された機器を自動で認識する構成でもよい。

以上説明したように実施の形態９によれば、端子Ｔｄ１に接続される機器の種類に応じて、ＤＣ−ＤＣコンバータ２４とバイパス回路２５のいずれか一方を選択することにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ２４を双方向にする必要がない。従ってＤＣ−ＤＣコンバータ２４のコストを削減することができる。また太陽電池１からの放電時、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータではなく、バイパス回路２５を経由することにより電力損失を低減することができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

上述の実施の形態では、第１電力変換装置２に太陽電池を接続した例を説明したが、燃料電池などの他の直流電源を使用してもよい。また太陽電池の代わりに、風力発電装置やマイクロ水力発電装置などの、再生可能エネルギーを用いた他の発電装置を使用してもよい。なお発電装置の出力が交流の場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ及びＤＣ−ＡＣコンバータの代わりにＡＣ−ＡＣコンバータが用いられる。

なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。

［項目１］
蓄電部（３）から放電される直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力をバスラインへ供給可能に構成され、前記バスラインの直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力を前記蓄電部（３）へ充電可能に構成される双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ（４１）と、
前記バスラインの直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を系統（５）及び前記系統（５）から切り離された出力経路の何れかに出力可能に構成され、前記系統（５）の交流電力を直流電力に変換し前記バスラインへ供給可能に構成される双方向ＤＣ−ＡＣコンバータ（４２）と、
所定の状態において外部から前記バスラインへ直流電力を供給する直流経路と、
を備えることを特徴とする電力変換装置（４）。
これによれば、系統（５）以外の経路から蓄電部（３）を充電することができる。
［項目２］
前記直流経路に介在するスイッチ（ＲＹ５）をさらに備え、
前記スイッチは、少なくとも前記系統（５）の停電時において、導通状態に制御されることを特徴とする項目１に記載の電力変換装置（４）。
これによれば、系統（５）の停電時においても、外部の発電装置から充電することができる。
［項目３］
前記直流経路に介在し、前記バスラインから前記外部へ流れる電流を制限するダイオードをさらに備えることを特徴とする項目１または２に記載の電力変換装置（４）。
これによれば、直流経路を充電専用にすることができる。
［項目４］
前記直流経路に介在し、前記外部から前記バスラインへ重畳される高調波成分を減衰するフィルタ回路（４４）をさらに備えることを特徴とする項目１から３のいずれかに記載の電力変換装置（４）。
これによれば、直流経路を介して外部機器から重畳される高調波ノイズを除去することができる。
［項目５］
前記直流経路に介在し、前記外部から入力される直流電力を別の電圧の直流電力に変換して前記バスラインに出力する、及び前記バスラインから入力される直流電力を別の電圧の直流電力に変換して前記外部に出力する、の少なくとも一方を実行可能なＤＣ−ＤＣコンバータ（４５）をさらに備えることを特徴とする項目１から４のいずれかに記載の電力変換装置（４）。
これによれば、直流経路に接続される外部機器の電圧と、前記バスラインの電圧を近づけることができる。
［項目６］
前記直流経路に介在するスイッチ（ＲＹ５）と、
前記直流経路の過電圧、不足電圧、過電流の少なくとも一つを検出する異常検出回路（４６、４７、４８）と、をさらに備え、
前記スイッチ（ＲＹ５）は、前記異常検出回路（４６、４７、４８）により異常が検出されると、非道通状態にされることを特徴とする項目１に記載の電力変換装置（４）。
これによれば、電力変換装置（４）の内部回路を保護することができる。
［項目７］
再生可能エネルギーをもとに発電する発電装置（１）から入力される直流電力を交流電力に変換して前記系統（５）または前記系統（５）と切り離された出力経路に出力する別の電力変換装置（２）のＤＣ−ＤＣコンバータとＤＣ−ＡＣコンバータ間のバスラインに接続された直流ケーブルが前記直流経路に接続され、
前記系統（５）の停電時または前記発電装置（１）の出力抑制機能が発動しているとき、前記発電装置（１）により発電された電力の少なくとも一部が、前記直流ケーブルを経由して前記蓄電部（３）に充電されることを特徴とする項目１から６のいずれかに記載の電力変換装置（４）。
これによれば、発電装置（１）の発電能力を有効活用することができる。
［項目８］
再生可能エネルギーをもとに発電する発電装置（１）から、前記発電装置（１）の出力電力を交流電力に変換して前記系統（５）または前記系統（５）と切り離された出力経路に出力する別の電力変換装置（２）への入力経路上に接続された直流ケーブルが前記直流経路に接続され、
前記系統（５）の停電時または前記発電装置（１）の出力抑制機能が発動しているとき、前記発電装置（１）により発電された電力の少なくとも一部が、前記直流ケーブルを経由して前記蓄電部（３）に充電されることを特徴とする項目１から６のいずれかに記載の電力変換装置（４）。
これによれば、発電装置（１）の発電能力を有効活用することができる。
［項目９］
直流電源（１）から入力される直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力をバスラインへ供給する第１ＤＣ−ＤＣコンバータ（２１）と、
前記バスラインの直流電力を交流電力に変換し、系統（５）または前記系統（５）と切り離された出力経路に出力するＤＣ−ＡＣコンバータ（２２）と、
外部から供給される直流電力を前記バスラインへ供給する直流経路と、
前記直流経路に介在する第２ＤＣ−ＤＣコンバータ（２４）と、
前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータ（２４）と並列に接続されるバイパス回路（２５）と、を備え、
前記直流経路に接続される外部機器に応じて、前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータ及び前記バイパス回路のいずれかを選択することを特徴とする電力変換装置（２）。
これによれば、直流経路に様々な機器を接続することができる。
［項目１０］
第１電力変換装置（２）と第２電力変換装置（４）を備える電力変換システム（２、４）であって、
前記第１電力変換装置（２）は、
直流電源（１）から入力される直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力を第１バスラインに供給する第１ＤＣ−ＤＣコンバータ（２１）と、
前記第１バスラインの直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を系統（５）及び前記系統（５）と切り離された第１出力経路の何れかに出力する第１ＤＣ−ＡＣコンバータ（２２）と、を有し、
前記第２電力変換装置（４）は、
蓄電部（３）から放電される直流電力を別の電圧の直流電力に変換し当該直流電力を第２バスラインへ供給可能に構成されると共に、前記第２バスラインの直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力で前記蓄電部（３）を充電可能に構成される第２ＤＣ−ＤＣコンバータ（４１）と、
前記第２バスラインの直流電力を交流電力に変換し、前記系統（５）及び前記系統（５）と切り離された第２出力経路の何れかに供給可能に構成され、前記系統（５）から入力される交流電力を直流電力に変換し、当該直流電力を前記第２バスラインへ供給可能に構成される第２ＤＣ−ＡＣコンバータ（４２）と、を有し、
前記第１バスラインと、前記第２バスラインとが接続されることを特徴とする電力変換システム（２、４）。
これによれば、系統（５）以外の経路を経由して、直流電源（１）から蓄電部（３）を充電することができる。
［項目１１］
前記直流電源（１）は、再生可能エネルギーをもとに発電する発電装置（１）であり、
前記系統（５）の停電時または前記発電装置（１）の出力電力を抑制すべきとき、前記発電装置（１）により発電された電力の少なくとも一部が、前記第１バスライン及び前記第２バスラインを経由して、前記蓄電部（３）に充電されることを特徴とする項目１０に記載の電力変換システム（２、４）。
これによれば、発電装置（１）の発電能力を有効活用することができる。

１ 太陽電池、 ２ 第１電力変換装置、 ５ 系統、 ６ 一般負荷、 ７ 自立負荷、 ８ 通信線、 ２１ 第１ＤＣ−ＤＣコンバータ、 ２２ 第１ＤＣ−ＡＣコンバータ、 ２３ 第１制御部、 ２４ ＤＣ−ＤＣコンバータ、 ２５ バイパス回路、 ＲＹ１ 第１連系リレー、 ＲＹ２ 第１自立リレー、 ３ 蓄電部、 ４ 第２電力変換装置、 ４１ 第２ＤＣ−ＤＣコンバータ、 ４２ 第２ＤＣ−ＡＣコンバータ、 ４３ 第２制御部、 ４４ フィルタ回路、 ４５ ＤＣ−ＤＣコンバータ、 ４６ 過・不足電圧検出部、 ４７ スイッチ両端電圧検出部、 ４８ 過電流検出部、 ＲＹ３ 第２連系リレー、 ＲＹ４ 第２自立リレー、 ＣＴ１ 電流センサ、 ＲＹ５ 第２直流経路スイッチ、 ＲＹ６ 第１直流経路スイッチ、 Ｔｄ 端子、 Ｄ１ ダイオード、 Ｒ１ 抵抗。

Claims (11)

1. 蓄電部から放電される直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力をバスラインへ供給可能に構成され、前記バスラインの直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力を前記蓄電部へ充電可能に構成される双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記バスラインの直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を系統及び前記系統から切り離された出力経路の何れかに出力可能に構成され、前記系統の交流電力を直流電力に変換し前記バスラインへ供給可能に構成される双方向ＤＣ−ＡＣコンバータと、
   所定の状態において外部から前記バスラインへ直流電力を供給する直流経路と、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記直流経路に介在するスイッチをさらに備え、
   前記スイッチは、少なくとも前記系統の停電時において、導通状態に制御されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記直流経路に介在し、前記バスラインから前記外部へ流れる電流を制限するダイオードをさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記直流経路に介在し、前記外部から前記バスラインへ重畳される高調波成分を減衰するフィルタ回路をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電力変換装置。
5. 前記直流経路に介在し、前記外部から入力される直流電力を別の電圧の直流電力に変換して前記バスラインに出力する、及び前記バスラインから入力される直流電力を別の電圧の直流電力に変換して前記外部に出力する、の少なくとも一方を実行可能なＤＣ−ＤＣコンバータをさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電力変換装置。
6. 前記直流経路に介在するスイッチと、
   前記直流経路の過電圧、不足電圧、過電流の少なくとも一つを検出する異常検出回路と、をさらに備え、
   前記スイッチは、前記異常検出回路により異常が検出されると、非道通状態にされることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
7. 再生可能エネルギーをもとに発電する発電装置から入力される直流電力を交流電力に変換して前記系統または前記系統と切り離された出力経路に出力する別の電力変換装置のＤＣ−ＤＣコンバータとＤＣ−ＡＣコンバータ間のバスラインに接続された直流ケーブルが前記直流経路に接続され、
   前記系統の停電時または前記発電装置の出力抑制機能が発動しているとき、前記発電装置により発電された電力の少なくとも一部が、前記直流ケーブルを経由して前記蓄電部に充電されることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の電力変換装置。
8. 再生可能エネルギーをもとに発電する発電装置から、前記発電装置の出力電力を交流電力に変換して前記系統または前記系統と切り離された出力経路に出力する別の電力変換装置への入力経路上に接続された直流ケーブルが前記直流経路に接続され、
   前記系統の停電時または前記発電装置の出力抑制機能が発動しているとき、前記発電装置により発電された電力の少なくとも一部が、前記直流ケーブルを経由して前記蓄電部に充電されることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の電力変換装置。
9. 直流電源から入力される直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力をバスラインへ供給する第１ＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記バスラインの直流電力を交流電力に変換し、系統または前記系統と切り離された出力経路に出力するＤＣ−ＡＣコンバータと、
   外部から供給される直流電力を前記バスラインへ供給する直流経路と、
   前記直流経路に介在する第２ＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータと並列に接続されるバイパス回路と、を備え、
   前記直流経路に接続される外部機器に応じて、前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータ及び前記バイパス回路のいずれかを選択することを特徴とする電力変換装置。
10. 第１電力変換装置と第２電力変換装置を備える電力変換システムであって、
    前記第１電力変換装置は、
    直流電源から入力される直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力を第１バスラインに供給する第１ＤＣ−ＤＣコンバータと、
    前記第１バスラインの直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を系統及び前記系統と切り離された第１出力経路の何れかに出力する第１ＤＣ−ＡＣコンバータと、を有し、
    前記第２電力変換装置は、
    蓄電部から放電される直流電力を別の電圧の直流電力に変換し当該直流電力を第２バスラインへ供給可能に構成されると共に、前記第２バスラインの直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力で前記蓄電部を充電可能に構成される第２ＤＣ−ＤＣコンバータと、
    前記第２バスラインの直流電力を交流電力に変換し、前記系統及び前記系統と切り離された第２出力経路の何れかに供給可能に構成され、前記系統から入力される交流電力を直流電力に変換し、当該直流電力を前記第２バスラインへ供給可能に構成される第２ＤＣ−ＡＣコンバータと、を有し、
    前記第１バスラインと、前記第２バスラインとが接続されることを特徴とする電力変換システム。
11. 前記直流電源は、再生可能エネルギーをもとに発電する発電装置であり、
    前記系統の停電時または前記発電装置の出力電力を抑制すべきとき、前記発電装置により発電された電力の少なくとも一部が、前記第１バスライン及び前記第２バスラインを経由して、前記蓄電部に充電されることを特徴とする請求項１０に記載の電力変換システム。

Images