JP2017163787A - 蓄電システム及びパワーコンディショナ - Google Patents

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Abstract

【課題】蓄電池の充放電制御機能を有する、同一の基本スイッチング周期をもつ複数のパワーコンディショナの併設時に、各パワーコンディショナに接続される蓄電池の充放電電力がハンチングすることを抑止する。
【解決手段】蓄電池２５の充放電制御機能を有する複数のパワーコンディショナ１０の制御部１４による制御処理の実行周期を、互いに異なるように、基本スイッチング周期から変更しておく。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電システムとパワーコンディショナとに関する。
太陽電池アレイにより得られた電力を交流に変換して交流負荷（電気製品）及び／又は電力系統に供給できると共に、余剰電力を蓄電池に充電できるハイブリッド型のパワーコンディショナ（例えば、特許文献１参照）が実用化されている。
特開２０１２−２２２９０８号公報
ハイブリッド型のパワーコンディショナに接続可能な太陽電池アレイや蓄電池の容量には限界がある。従って、太陽電池アレイを増設するためや蓄電可能な電力量を増やすために、ハイブリッド型のパワーコンディショナを複数台併設することが考えられる。ただし、発明者は、同一の基本スイッチング周期をもつハイブリッド型の電力変換装置を併設すると、蓄電池の充放電電力（主として、充放電電流）が短周期で比較的に大きくハンチングしてしまうことを見出した。また、発明者は、蓄電池用の電力変換装置においても、同様の現象が生じることを見出した。
充放電電力が短周期で大きくハンチングする状態で蓄電池を使用すると、蓄電池の寿命が短くなり易い。従って、パワーコンディショナを複数台併設しても、蓄電池の充放電電力がハンチングしないようにできることが望まれる。
そこで、本発明の目的は、複数のパワーコンディショナを含む蓄電システムであって、各パワーコンディショナに接続される蓄電池の充放電電力がハンチングすることを抑止できる蓄電システムと、そのような蓄電システムの構成要素として使用できるパワーコンディショナとを提供することにある。
発明者は、鋭意研究を行った結果、同一の基本スイッチング周期をもつパワーコンディショナを複数台併設すると、パワーコンディショナに使用されているマイクロコントローラの水晶発振器の個体差により各パワーコンディショナにおける制御周期に僅かな違い（２０ｐｐｍ程度かそれ以下の違い）が生じ、その結果として、蓄電池の充放電電力がハンチングすることを見出した。また、発明者は、制御周期をより大きく異ならせれば、各パワーコンディショナに接続される蓄電池の充放電電力のハンチングを抑制できることも見出した。
そのため、本発明では、電力系統及び交流負荷に接続される、同一の基本スイッチング周期をもつ複数のパワーコンディショナを含む蓄電システムに、前記複数のパワーコンディショナは、それぞれ、前記電力系統からの電力を前記交流負荷及び／又は自パワーコンディショナに接続される蓄電池に供給すること、及び、当該蓄電池に充電された電力を前記電力系統からの電力と共に又は単独で前記交流負荷に供給することが可能な電力変換部と、前記複数のパワーコンディショナと前記電力系統との間を流れる入出力電流の大きさに基づき、前記複数のパワーコンディショナと前記電力系統との間で目標量の電力が授受
されるように前記電力変換部を制御する制御処理を周期的に行う制御部であって、前記制御処理の実行周期を前記基本スイッチング周期から変更可能な制御部と、を備え、前記複数のパワーコンディショナ内の複数の制御部による前記制御処理の実行周期が互いに異なるように変更されている、構成が採用される。
なお、本発明における自パワーコンディショナに接続される蓄電池は、自パワーコンディショナの筐体内に収容されている蓄電池であっても、自パワーコンディショナに直接又は双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続されている蓄電池であっても良い。
本発明に係る各パワーコンディショナの制御部に、自パワーコンディショナの固有情報に対応づけられている周期に前記制御処理の実行周期を変更する機能を付与しておいても良い。この場合、固有情報は、蓄電システムの運用開始時に各パワーコンディショナに割り当てられるユニット番号であっても良い。
本発明の蓄電システムの各パワーコンディショナに、前記制御部による前記制御処理の実行周期を変更する設定変更部を追加しておいても良い。なお、この設定変更部は、ユーザ（蓄電システムの所有者や施工者）により設定された情報に基づき、各制御部による制御処理の実行周期を変更するものであっても、各パワーコンディショナから収集した情報（例えば、シリアルナンバー）に基づき、各制御部による制御処理の実行周期を変更するものであっても良い。
また、本発明の蓄電システムの各パワーコンディショナの電力変換部は、前記発電装置からの電力を前記交流負荷及び／又は前記電力系統に供給する機能を有するものであっても良い。各パワーコンディショナの制御部は、水晶発振子の周期を分周して得られるクロックの最少分解能の整数倍に対応する時間分、前記制御処理の実行周期を前記基本スイッチング周期から変更可能なユニットであっても良い。
また、本発明の、電力系統及び交流負荷に接続されるパワーコンディショナは、前記電力系統からの電力を前記交流負荷及び／又は自パワーコンディショナに接続される蓄電池に供給すること、及び、当該蓄電池に充電された電力を前記電力系統からの電力と共に又は単独で前記交流負荷に供給することが可能な電力変換部と、前記電力系統への電力線を流れる入出力電流の大きさに基づき、前記電力線により目標量の電力が伝送されるように前記電力変換部を制御する制御処理を周期的に行う制御部であって、前記制御処理の実行周期を基本スイッチング周期から変更可能な制御部と、を備える。
このパワーコンディショナを複数台用いれば、各パワーコンディショナに接続される蓄電池の充放電電力が殆どハンチングしない蓄電システムを構築することが出来る。
本発明によれば、同一の基本スイッチング周期をもつ複数のパワーコンディショナを含む蓄電システムであって、各パワーコンディショナに接続される蓄電池の充放電電力がハンチングすることを抑止できる蓄電システムと、そのような蓄電システムの構成要素として使用できるパワーコンディショナとを提供することが出来る。
図１は、本発明の一実施形態に係る蓄電システムの構成図である。 図２は、実施形態に係る蓄電システムに含まれる各パワーコンディショナの構成の説明図である。 図３は、実験結果の説明図である。 図４は、図３に示したＢＡＴＰ２の拡大図である。 図５は、調整量情報の説明図である。 図６は、実施形態に係る蓄電システムについての実験結果の説明図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１に、本発明の一実施形態に係る蓄電システムの構成図を示し、図２に、蓄電システムに含まれる各パワーコンディショナ１０の構成の説明図を示す。まず、これらの図を用いて、本実施形態に係る蓄電システムの概要を説明する。
図１に示してあるように、本実施形態に係る蓄電システムは、分電盤３４を介して電力系統３６及び交流負荷３８に接続された複数（図では、２つ）のパワーコンディショナ（ＰＣＳ）１０と、通信ライン１６により各パワーコンディショナ１０と接続された管理装置２８と、を含む。
パワーコンディショナ１０は、太陽電池（ＰＶ）３０に接続されると共に、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（ＤＣ／ＤＣ）２０を介して蓄電池（ＢＡＴ）２５に接続されるハイブリッド型の電力変換機器である。
図２に示してあるように、パワーコンディショナ１０は、太陽電池３０、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２０及び分電盤３４と接続される電力変換部１２と、制御部１４とを備える。
電力変換部１２は、以下に例示するような状態を取り得るように、複数のスイッチング素子、リアクトル等を組み合わせたユニットである。
・電力系統３６からの電力を交流負荷３８及び／又は蓄電池２５に供給する状態
・蓄電池２５からの電力を電力系統３６からの電力と共に又は単独で交流負荷３８に供給する状態
・太陽電池３０からの電力を、蓄電池２５、交流負荷３８及び電力系統３６の中の１つ以上に供給する状態
制御部１４は、電力変換部１２と双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２０とを制御するユニットである。この制御部１４は、プロセッサ（本実施形態では、マイクロコントローラ）、ゲート・ドライバＩＣ等から構成されている。図２に示してあるように、制御部１４には、分電盤３４と電力系統３６とを繋ぐ電力線３５に取り付けられた電流センサ４１の出力が入力されている。さらに、制御部１４には、太陽電池３０の出力電圧、電力変換部１２の分電盤３４側の電圧等（図示略）も入力されている。なお、図１に示してあるように、電力線３５には、パワーコンディショナ１０の台数と同数の電流センサ４１が取り付けられ、蓄電システム内の複数の制御部１４（パワーコンディショナ１０）には、互いに異なる電流センサ４１の出力が入力される。
図１及び図２に示してあるように、管理装置２８は、通信ライン１６により各パワーコンディショナ１０内の制御部１４と接続された、一種のコンピュータである。この管理装置２８は、各パワーコンディショナ１０から運転状況に関する情報（太陽電池３０の発電量等）を収集して内部に記憶する機能や、内部に記憶している情報を各種形式で表示する機能を有している。また、蓄電システムは、各パワーコンディショナ１０がユニット番号により識別されるシステムとして構成されている。蓄電システムの運用開始時（設置時）には、管理装置２８を用いて、各パワーコンディショナ１０に、ユニット番号（本実施形態では、“０”から始まる連番）が設定される。
以下、本実施形態に係る蓄電システムについてさらに具体的に説明する。
パワーコンディショナ１０内の制御部１４は、電流センサ４１の出力等に基づき、電力変換部１２及び双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２０を制御する制御処理を、周期的に行うユニットである。ここで、電力変換部１２及び双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２０を制御するとは、電力変換部１２内及び双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２０内の複数のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御（ＰＷＭ制御）を行うということである。
制御部１４が行う制御処理の中には、或る量の電力を蓄電池２５に出力（放電）させるための制御処理や、或る量の電力を蓄電池２５に入力（充電）するための制御処理が含まれる。制御部１４が行う、蓄電池２５の充放電が関係する制御処理（以下、蓄電池制御処理と表記する）は、パワーコンディショナ１０が単独で使用されていれば、蓄電池２５の充放電電力が殆どハンチングしない処理である。
ただし、複数台のパワーコンディショナ１０を同一の分電盤３４に接続し、各制御部１４にデフォルトの蓄電池制御処理を行わせると、各蓄電池２５の充放電電力がハンチングしてしまうことが分かっている。なお、デフォルトの蓄電池制御処理とは、その実行周期（以下、制御周期とも表記する）が、工場出荷時の周期である基本スイッチング周期となっている蓄電池制御処理のことである。
具体的には、図３及び図４に示した実験結果が得られている。図３に示した実験結果は、太陽電池３０を外した２台のパワーコンディショナ１０を、電力系統３６を模擬した模擬系統に接続し、買電電力（模擬系統から入力される電力）の目標値を１００Ｗ、交流負荷３８による消費電力を１０００Ｗとして、各制御部１４にデフォルトの蓄電池制御処理を行わせることにより得られたものである。図３におけるＢＡＴＰ１は、一方の蓄電池２５の入出力電力であり、ＢＡＴＰ２は、他方の蓄電池２５の入出力電力である。図３では、蓄電池２５から出力される電力をプラスで、蓄電池２５に入力される電力をマイナスで示してある。また、図４は、図３に示してあるＢＡＴＰ２の拡大図である。
図３から明らかなように、複数台のパワーコンディショナ１０を同一の分電盤に接続して、各制御部１４にデフォルトの蓄電池制御処理を行わせると、各蓄電池２５の充放電電力（ＢＡＴＰ１、ＢＡＴＰ２）が短周期で比較的に大きくハンチングしてしまう。なお、ＢＡＴＰ１、ＢＡＴＰ２のレベルが大きく異なっているのは、パワーコンディショナ１０が、他のパワーコンディショナ１０における蓄電池２５の充放電電力を考慮することなく、蓄電池２５の充放電電力を決定・制御する装置として構成されていることに加え、電流センサ４１に個体差があるためである。
このような現象、特に、ＢＡＴＰ２（図４参照）のように、充電、放電が交互に繰り返される現象が生ずると、蓄電池２５の寿命が短くなり易い。そのため、当該現象の発生原因を明らかにすべく鋭意研究を行った所、発明者は、同一の基本スイッチング周期をもつパワーコンディショナを複数台併設すると、各パワーコンディショナの制御部内（マイクロコントローラ内等）の水晶発振器の個体差により各制御部の制御周期に僅かな違い（通常、２０ｐｐｍ程度かそれ以下の違い）が生じ、その結果として、蓄電池の充放電電力がハンチングすることを見出した。
また、発明者は、各制御部の制御周期を、水晶発振器の個体差に起因するばらつきよりも大きくばらつかせることにより、各蓄電池の充放電電力のハンチングを抑制できることも見出した。具体的には、動作中の騒音を低減するために、制御部の制御周期は、通常、２０ｋＨｚ程度とされるが、２つの制御部の制御周期の差が、全て、４Ｈｚ程度がそれ以上となるようにしておけば、各蓄電池の充放電電力のハンチングを実用上十分なレベルま
で低減できることを見出した。
従って、蓄電システムを、上記条件を満たすように各制御部１４の制御周期を設定してから運用を開始するシステムとしておくことにより充放電電力のハンチングを抑制することも出来る。ただし、設定ミスにより充放電電力のハンチングが生じて蓄電池２５が劣化することも考えられるため、そのような設定が自動で行われるようにしておいた方が良い。
そのため、本実施形態に係るパワーコンディショナ１０は、制御部１４を、図５に例示したような、ユニットＩＤと制御周期の調整量との対応関係を示す調整量情報から、管理装置２８の操作により自身に割り当てられたユニットＩＤに応じた調整量を読み出し、読み出した調整量を加算した周期で蓄電池制御処理を実行するように構成（プログラム）したものとなっている。
調整量情報（図５）に基づき調整された周期で蓄電池制御処理が行われれば、２つの制御部の制御周期が異なるため、各蓄電池２５の充放電電力のハンチングを実用上十分なレベルまで低減することが出来る。また、図５の調整量は、マイコロコントローラで水晶発振子の周期を分周して得られるクロックの最少分解能の整数倍としてもよい。ただし、この調整量の最適値は、制御部１４の設計に依存するので異なることが想定される。
具体的には、本実施形態に係る蓄電システムについては、図６に示した実験結果が得られている。この図６の実験結果は、太陽電池３０を外した２台のパワーコンディショナ１０を、電力系統を模擬した模擬系統に接続し、模擬系統から入力される電力の目標値を１００Ｗ、交流負荷３８による消費電力を１０００Ｗとして、各制御部１４に、調整（変更）された制御周期で蓄電池制御処理を行わせることにより得られたものである。なお、時間経過に伴いＢＡＴＰ１が減少し、ＢＡＴＰ２が増加している理由は、パワーコンディショナ１０が、他のパワーコンディショナ１０における蓄電池２５の充放電電力を考慮することなく、蓄電池２５の充放電電力を決定・制御する装置として構成されていることに加え、電流センサ４１に個体差があるためである。また、実験の途中で放電する蓄電池をＢＡＴＰ１からＢＡＴＰ２に切り替えてみたが、ハンチング現象は発生しないことが確認できた。
このように、本実施形態に係る蓄電システムによれば、各蓄電池２５の充放電電力のハンチングを実用上十分なレベルまで低減することが出来る。
《変形例》
上記した実施形態に係る蓄電システムは、各種の変形を行うことが出来るものである。例えば、上記した調整量情報（図５）は、ユニットＩＤと制御周期の調整量の対応関係を直接的に示す情報であったが、調整量情報は、ユニットＩＤと制御周期の調整量の対応関係を間接的に示す情報であっても、ユニットＩＤと調整後の制御周期の対応関係を直接的／間接的に示す情報であっても良い。なお、ユニットＩＤと制御周期の調整量の対応関係を間接的に示す情報としては、ユニットＩＤと、制御周期を規定するタイマの設定値の変更量（タイマの設定値に加算すべき正又は負の値）との関係を示す情報を例示できる。ユニットＩＤと調整後の制御周期の対応関係を間接的に示す情報としては、ユニットＩＤと、タイマの設定値との関係を示す情報を例示できる。
また、ユニットＩＤと、制御周期の調整量又は調整後の制御周期との間の対応関係を直接的／間接的に示す調整量情報は、プログラム中にプログラムコード又はデータとして埋め込まれた情報であっても、プログラムを実行したプロセッサにより読み出される情報であっても良い。
制御部１４に、他のパワーコンディショナ１０のシリアル番号を取得し、自パワーコンディショナ１０のシリアル番号が、取得したシリアル番号と自パワーコンディショナ１０のシリアル番号のソート結果中の何番目のシリアル番号であるかにより、制御周期の調整量又は調整後の制御周期を決定する機能を付与しておいても良い。また、実施形態に係る蓄電システムを、管理装置１８が、ユニットＩＤやシリアル番号の大小関係から、制御周期の調整量又は調整後の制御周期を決定して、各パワーコンディショナ１０の制御部１４に通知するシステムに変形しても良い。
実施形態に係る蓄電システムを、パワーコンディショナ１０が、太陽電池３０以外の発電装置（燃料電池等）に接続されるシステムや、パワーコンディショナ１０の筐体内に蓄電池２５が収容されているシステムや、電力変換部１２が双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２０としての機能も合わせ持つシステムに変形しても良い。さらに、併設すると蓄電池２５の充放電量がハンチングするという問題は、発電装置と接続されないパワーコンディショナ１０でも生ずるものである。従って、実施形態に係る蓄電システムを、蓄電池２５の充放電制御のみを行うパワーコンディショナ１０を複数台含むシステムに変形しても良い。
１０ パワーコンディショナ
１２ 電力変換部
１４ 制御部
１６ 通信ライン
２０ 双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ
２５ 蓄電池
２８ 管理装置
３０ 太陽電池
３４ 分電盤
３５ 電力線
３６ 電力系統
３８ 交流負荷
４１ 電流センサ

Claims (7)

  1. 電力系統及び交流負荷に接続される、同一の基本スイッチング周期を持つ複数のパワーコンディショナを含む蓄電システムにおいて、
    前記複数のパワーコンディショナは、それぞれ、
    前記電力系統からの電力を前記交流負荷及び／又は自パワーコンディショナに接続される蓄電池に供給すること、及び、当該蓄電池に充電された電力を前記電力系統からの電力と共に又は単独で前記交流負荷に供給することが可能な電力変換部と、
    前記複数のパワーコンディショナと前記電力系統との間を流れる入出力電流の大きさに基づき、前記複数のパワーコンディショナと前記電力系統との間で目標量の電力が授受されるように前記電力変換部を制御する制御処理を周期的に行う制御部であって、前記制御処理の実行周期を前記基本スイッチング周期から変更可能な制御部と、
    を備え、
    前記複数のパワーコンディショナ内の複数の制御部による前記制御処理の実行周期が互いに異なるように変更されている、
    ことを特徴とする蓄電池システム。
  2. 前記制御部は、自パワーコンディショナの固有情報に対応づけられている周期に前記制御処理の実行周期を変更する機能を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の蓄電池システム。
  3. 前記固有情報が、前記蓄電システムの運用開始時に各パワーコンディショナに割り当てられるユニット番号である
    ことを特徴とする請求項２に記載の蓄電池システム。
  4. 各パワーコンディショナは、前記制御部による前記制御処理の実行周期を変更する設定変更部を、さらに含む
    ことを特徴とする請求項１に記載の蓄電池システム。
  5. 前記パワーコンディショナは、発電装置と接続可能であり、
    前記電力変換部は、前記発電装置からの電力を前記蓄電池、前記交流負荷及び前記電力系統の中の１つ以上に供給する機能を有する
    ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の蓄電池システム。
  6. 前記制御部は、水晶発振子の周期を分周して得られるクロックの最少分解能の整数倍に対応する時間分、前記制御処理の実行周期を前記基本スイッチング周期から変更可能なユニットである
    ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の蓄電池システム。
  7. 電力系統及び交流負荷に接続される、基本スイッチング周期をもつパワーコンディショナであって、
    前記電力系統からの電力を前記交流負荷及び／又は自パワーコンディショナに接続される蓄電池に供給すること、及び、当該蓄電池に充電された電力を前記電力系統からの電力と共に又は単独で前記交流負荷に供給することが可能な電力変換部と、
    前記電力系統への電力線を流れる入出力電流の大きさに基づき、前記電力線により目標量の電力が伝送されるように前記電力変換部を制御する制御処理を周期的に行う制御部であって、前記制御処理の実行周期を前記基本スイッチング周期から変更可能な制御部と、
    を備えることを特徴とするパワーコンディショナ。
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