JP2019187014A - 電力変換システムおよび太陽光発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】発電された電力を逆潮流させる際の損失を抑制することができる電力変換システムおよび太陽光発電システムを提供する。【解決手段】入射した太陽光を電力に変換する太陽光発電部１０から出力された直流電力を交流電力に変換する変換部２１と、変換部２１から出力された交流電力を所望の電圧の交流電力に変換するものであり、商用系統３０に電気的に接続された変圧部２２と、変換部２１による電力変換を補助するものであり、少なくとも変圧部２２よりも太陽光発電部１０側から供給される電力によって駆動される補助部２３と、が設けられていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換システムおよび太陽光発電システムに関する。

近年の再生可能エネルギーの固定価格買取制度や、補助金制度の導入により太陽光発電システムの導入件数が増加している（例えば、特許文献１参照。）。再生可能エネルギーの固定価格買取制度は、太陽光や風力等の再生可能エネルギーによって発電された電気を法令に定められた価格および期間で電力会社等が買い取り等する制度である。

電気の買い取りは、電力会社等が電力を供給する商用系統に電力を逆潮流させることにより行われる。太陽光発電システムの場合、買い取りされる電力量、言い換えると逆潮流される電力量は、直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナ（以降「ＰＣＳ」とも表記する。）における交流電力が出力され、電力会社に接続する箇所に配置された計測部により計測される。電力会社等は買い取りする電力量を定め、それ以上の電力は買い取りしない。この場合、買い取りする電力量の測定は、上記の計測部により行われる。

特開２０１５−１０６９３７号公報

上述のＰＣＳには、直流電力を交流電力に変換する機器であるＰＣＳの他に、当該機器の動作を補助する機器や、電力の変換を制御する機器などの他の機器が設けられている。ＰＣＳと他の機器とでＰＣＳユニットが構成されている。

他の機器は電力の供給を受けて動作する。この電力として、例えばＰＣＳにより変換された交流電力が供給されている。しかしながら、ＰＣＳにより変換された交流電力は、上述の計測部により測定された電力である。そのため、逆潮流させる電力として計測された電力の一部を他の機器で消費され、売電できる電力量が減少してしまうという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、発電された電力を逆潮流させる際の損失を抑制することができる電力変換システムおよび太陽光発電システム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、以下の手段を提供する。
本発明の第１の態様に係る電力変換システムは、入射した太陽光を電力に変換する太陽光発電部から出力された直流電力を交流電力に変換する変換部と、前記変換部から出力された交流電力を所望の電圧の交流電力に変換するものであり、商用系統に電気的に接続された変圧部と、前記変換部による電力変換を補助するものであり、少なくとも前記変圧部よりも前記太陽光発電部側から供給される電力によって駆動される補助部と、が設けられていることを特徴とする。

本発明の第２の態様に係る太陽光発電システムは、入射した太陽光を電力に変換する太陽光発電部と、上記第１の態様に係る電力変換システムと、が設けられていることを特徴
とする。

本発明の第１の態様に係る電力変換システム、および、第２の態様に係る太陽光発電システムによれば、補助部は変圧部より太陽光発電部側から電力供給を受けて動作する。ところで、商用系統に逆潮流される電力の値は、変圧部における商用系統との接続点において測定される。第１の態様に係る電力変換システムでは、太陽光発電部で発電された電力から補助部に供給される電力を引いた残りの電力が、商用系統に逆潮流される電力となる。そのため、変圧部において変換された所望の電圧の交流電力を補助部に供給する場合と比較して、太陽光発電部において発電した電力を逆潮流させる際の損失を抑制しやすくなる。

また、変圧部において変換された所望の電圧の交流電力を補助部に供給する場合とは、逆潮流させる電力を補助部に供給するとも言える。この場合、逆潮流により買い取られる単価の高い電力を補助部に供給することになる。これに対して第１の態様に係る電力変換システムでは、逆潮流させる電力として計測される前の電力（単価の安い電力）を補助部に供給するため、損失を抑制しやすくなる。

上記発明においては、前記太陽光発電部および前記変換部の間から供給される直流電力を交流電力に変換する他の変換部が設けられ、前記補助部は、前記他の変換部で変換された交流電力が供給される構成が好ましい。

このように補助部に電力を供給する他の変換部を設けることにより、変換部から補助部に電力を供給する場合と比較して、太陽光発電部において発電した電力を逆潮流させる際の損失をさらに抑制しやすくなる。

上記構成においては、前記太陽光発電部から前記他の変換部への直流電流の供給を制御する切替え部が設けられていることが好ましい。
このように他の変換部への直流電流の供給を制御する切替え部を設けることにより、太陽光発電部において発電した電力を逆潮流させる際の損失をさらに抑制しやすくなる。

上記構成において前記補助部には、前記商用系統から交流電力が供給可能に接続され、前記他の変換部から前記補助部へ交流電力が供給されている場合には、前記商用系統から前記補助部への交流電力の供給は停止され、前記他の変換部から前記補助部へ交流電力の供給が停止されている場合には、前記商用系統から前記補助部へ交流電力が供給されることが好ましい。

このように、他の変換部から補助部への電力の供給が停止している場合に、補助部に対して商用系統から電力の供給を可能とすることにより、太陽光発電部により発電される電力が減少した場合であっても、補助部による変換部の電力変換を補助することが可能となり、変換部による電力変換を安定して行いやすくなる。

上記発明において前記補助部は、前記変換部の冷却に用いられる冷却部であることが好ましい。
このように補助部として変換部の冷却に用いられる冷却部を用いることにより、変換部による電力変換の効率低下を抑制しやすくなる。変換部は、電力変換を行う際に熱を発生し、変換部の温度が上昇すると電力変換の効率が低下する。冷却部は変換部で発生した熱を取り除くことができる。そのため、変換部における過度な温度上昇が抑制され、電力変換の効率低下を抑制しやすくなる。なお、冷却部は変換部の周囲の空気の温度を調節する空調装置であってもよい。

上記発明において前記変換部に電力の供給が可能に接続された前記太陽光発電部における前記所定時間で発電可能な最大電力量である容量は、当該変換部における所定時間で変換可能な電力量である容量よりも大きいことが好ましい。

このように太陽光発電部の容量を変換部の容量よりも大きくすることにより、太陽光発電部の容量が変換部の容量と等しい又は小さい場合と比較して、太陽光発電部による発電量の総量を増やすことができる。

具体的には、太陽光発電部で発電量が変換部の定格出力よりも多い時間帯では、太陽光発電部で発電される電力は変換部の定格出力により制限される。そのため、太陽光発電部の容量が変換部の容量よりも大きくても小さくても、太陽光発電部あたりの発電電力量の差は大きくなりにくい。一方で、太陽光発電部で発電量が変換部の定格出力よりも少ない時間帯では、太陽光発電部での発電電力量は、変換部の定格出力に至るまでは制限されない。そのため、太陽光発電部の容量が大きくなるほど、太陽光発電部あたりの発電電力量は多くなる。

このように、太陽光発電部の容量を変換部の容量よりも大きくすると、太陽光発電部の容量と等しい又は大きい場合と比較して、変換部で発電できる電力量は、日出から短い時間で定格容量に近づき、定格以上にならないよう出力を抑制しながら、午後の遅い時間まで定格容量に近い値を保つことができる。言い換えると、出力電力が大きい時間を長くしやすい。また、変換部に供給される電力量が定格容量を超える場合には、超えた電力量を補助部に供給することにより消費される。

本発明の電力変換システムおよび太陽光発電システムによれば、補助部は変圧部より太陽光発電部側から電力供給を受けて動作するため、発電された電力を逆潮流させる際の損失を抑制することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る太陽光発電システムおよび電力変換システムの構成を説明する模式図である。 太陽光発電部の発電電力と出力電力との関係を説明するグラフである。

以下、本発明の一実施形態に係る太陽光発電システム１および電力変換システム２０について、図１を参照しながら説明する。本実施形態の太陽光発電システム１には、図１に示すように、入射した太陽光を電力に変換する太陽光発電部１０と、電力変換システム２０と、が主に設けられている。

太陽光発電部１０は、入射した太陽光を電力に変換するものであり、太陽光発電アレイ、太陽光発電ストリング、太陽光発電モジュール、太陽光発電セルの階層状の構成を有したものである。なお、太陽光発電部１０としては、公知のものを用いることができ、太陽光発電セルの構造などの形式や、発電原理などを限定するものではない。さらに太陽光発電アレイなどの配置位置や、配置姿勢などについても限定するものではない。

電力変換システム２０は、太陽光発電部１０における発電状況を制御するとともに、発電された電力を商用系統３０に逆潮流させる際の制御を行うものである。電力変換システム２０には、パワーコンディショナ（変換部）２１（以下、「ＰＣＳ２１」とも表記する。）と、変圧部２２と、補助部２３と、他の変換部２４と、切替え部２５と、が主に設けられている。

ＰＣＳ２１は、入射した太陽光を電力に変換する太陽光発電部１０から出力された直流電力を交流電力に変換するものである。また、出力される直流電力の電圧（または電流）を制御することにより、太陽光発電部１０における発電効率を所望の値に制御するものでもある。

また本実施形態のＰＣＳ２１における所定時間で変換可能な電力量である容量は、ＰＣＳ２１に電力の供給が可能に接続された太陽光発電部１０における所定時間で発電可能な最大電力量である容量よりも小さい。なおＰＣＳ２１としては、公知の形式や構成のものを用いることができ、特に限定するものではない。

変圧部２２は、ＰＣＳ２１から出力された交流電力の電圧を所望の電圧の交流電力に変換するものである。変圧部２２は、接続点２６を介して商用系統３０に電気的に接続されている。上述の所望の電圧としては、商用系統３０に交流電力を逆潮流可能な電圧である例を挙げることができる。接続点２６は、商用系統３０に逆潮流される交流電力の値が測定される点でもある。なお、変圧部２２としては、公知の形式や構成のものを用いることができ、特に限定するものではない。

補助部２３は、ＰＣＳ２１による電力変換を補助するものであり、本実施形態では、補助部２３がＰＣＳ２１の冷却に用いられる空気調和装置などの冷却部である例に適用して説明する。なお、補助部２３としては上述のように空気調和装置などの冷却部であってもよいし、太陽光発電システム１や電力変換システム２０の保安設備である警備機器であってもよいし、太陽光発電システム１における発電状況を監視する計測装置であってもよい。

補助部２３には、ＰＣＳ２１よりも太陽光発電部１０側から電力が供給され、供給された電力によって駆動されるようになっている。具体的には、他の変換部２４で変換された交流電力が補助部２３に供給される。また、補助部２３には、商用系統３０からも電力が供給可能とされている。

他の変換部２４は、太陽光発電部１０に対してＰＣＳ２１と並列に配置され、太陽光発電部１０およびＰＣＳ２１の間から分岐して供給される直流電力を交流電力に変換するものである。他の変換部２４において変換された交流電力は、補助部２３に供給される。他の変換部２４により変換された交流電力の電圧としては、補助部２３が動作可能な電圧を例示することができる。また、他の変換部２４としては、公知の変換機器を用いることができ、その形式や構成を限定するものではない。

切替え部２５は、太陽光発電部１０から他の変換部２４への直流電流の供給を制御するものである。言い換えると、太陽光発電部１０およびＰＣＳ２１の間から分岐して他の変換部２４へ供給される直流電流を制御するものである。切替え部２５の構成としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

次に、上記の構成からなる太陽光発電システム１、および、電力変換システム２０における制御の内容について説明する。
太陽光発電部１０において発電されて出力された直流電力は、ＰＣＳ２１に入力される。ＰＣＳ２１は入力された直流電力を交流電力に変換して、変圧部２２へ出力する。変圧部２２は、ＰＣＳ２１から入力された交流電力の電圧を、商用系統３０に逆潮流可能な所望の電圧に変圧する。変圧された交流電力は、接続点２６を介して商用系統３０へ逆潮流される。逆潮流される交流電力の電力量は、接続点２６において測定される。

本実施形態では、太陽光発電部１０の定格容量はＰＣＳ２１の定格容量よりも大きい。そのため、太陽光発電部１０で発電される電力量がＰＣＳ２１の定格容量を超えると、太陽光発電部１０で発電された電力量のうち、ＰＣＳ２１の定格容量を超える部分に相当するもの（図２におけるハッチングが施された領域に相当する。）が、他の変換部２４に供給される。具体的には、切替え部２５を接続する制御を行うことにより、太陽光発電部１０で発電された電力の一部が他の変換部２４に供給される。

他の変換部２４は、供給された直流電力を補助部２３が利用可能な交流電力に変換する。変換された交流電力は補助部２３へ供給される。補助部２３は、供給された電力に基づいて、電力の変換により温度が上昇しているＰＣＳ２１の冷却を行う。

その一方で、雨天や夜間など太陽光発電部１０で発電される電力量が減少する（ほぼ０に等しい）場合では、補助部２３に供給される電力も減少し（ほぼ０になり）、補助部２３による冷却能力が不足する（冷却が行えなくなる）可能性がある。この場合には商用系統３０から補助部２３に電力を供給することを基本とする。しかしながら、上記の場合においてはＰＣＳ２１で変換される電力量が減少することから変換により発生する熱量も減少する。そのため、補助部２３に必要な電力も減少する、または、電力供給自体が不要になる場合もあるため、商用系統３０からの電力供給は必須ではない。

この時、補助部２３は冷却に用いる電力を、他の変換部２４から供給される電力から商用系統３０から供給される電力に切り替える。これにより、補助部２３によるＰＣＳ２１の冷却が継続して行われる。

上記の構成の太陽光発電システム１、および、電力変換システム２０によれば、補助部２３は変圧部２２より太陽光発電部１０側から電力供給を受けて動作する。ところで、商用系統３０に逆潮流される電力の値は、変圧部２２における商用系統３０との接続点２６において測定される。本実施形態の電力変換システム２０では、太陽光発電部１０で発電された電力から補助部２３に供給される電力を引いた残りの電力が、商用系統３０に逆潮流される電力となる。そのため、変圧部２２において変換された所望の電圧の交流電力を補助部２３に供給する場合と比較して、太陽光発電部１０において発電した電力を逆潮流させる際の損失を抑制しやすくなる。

また、変圧部２２において変換された所望の電圧の交流電力を補助部２３に供給する場合とは、逆潮流させる電力を補助部２３に供給するとも言える。この場合、逆潮流により買い取られる単価の高い電力を補助部２３に供給することになる。これに対して本実施形態の電力変換システム２０では、逆潮流させる電力として計測される前の電力（単価の安い電力）を補助部２３に供給するため、損失を抑制しやすくなる。

補助部２３に電力を供給する他の変換部２４を設けることにより、ＰＣＳ２１から補助部２３に電力を供給する場合と比較して、太陽光発電部１０において発電した電力を逆潮流させる際の損失をさらに抑制しやすくなる。

他の変換部２４への直流電流の供給を制御する切替え部２５を設けることにより、太陽光発電部１０において発電した電力を逆潮流させる際の損失をさらに抑制しやすくなる。

他の変換部２４から補助部２３への電力の供給が停止している場合に、補助部２３に対して商用系統３０から電力の供給を可能とすることにより、太陽光発電部１０により発電される電力が減少した場合であっても、補助部２３によるＰＣＳ２１の電力変換を補助することが可能となり、ＰＣＳ２１による電力変換を安定して行いやすくなる。

補助部２３としてＰＣＳ２１の冷却に用いられる冷却部を用いることにより、ＰＣＳ２１による電力変換の効率低下を抑制しやすくなる。ＰＣＳ２１は、電力変換を行う際に熱を発生し、ＰＣＳ２１の温度が上昇すると電力変換の効率が低下する。補助部２３はＰＣＳ２１で発生した熱を取り除くことができる。そのため、ＰＣＳ２１における過度な温度上昇が抑制され、電力変換の効率低下を抑制しやすくなる。なお、補助部２３はＰＣＳ２１の周囲の空気の温度を調節する空調装置であってもよい。

太陽光発電部１０の容量をＰＣＳ２１の容量よりも大きくすることにより、太陽光発電部１０の容量がＰＣＳ２１の容量と等しい又は小さい場合と比較して、太陽光発電部１０による発電量の総量を増やすことが可能となる。

具体的には、太陽光発電部１０で発電量がＰＣＳ２１の定格出力よりも多い時間帯では、太陽光発電部１０で発電される電力はＰＣＳ２１の定格出力により制限される。そのため、太陽光発電部１０の容量がＰＣＳ２１の容量よりも大きくても小さくても、太陽光発電部１０あたりの発電電力量の差は大きくなりにくい。一方で、太陽光発電部１０で発電量がＰＣＳ２１の定格出力よりも少ない時間帯では、太陽光発電部１０での発電電力量は、ＰＣＳ２１の定格出力に至るまでは制限されない。そのため、太陽光発電部１０の容量が大きくなるほど、太陽光発電部１０あたりの発電電力量は多くなる。

太陽光発電部１０の容量をＰＣＳ２１の容量よりも大きくすると、ＰＣＳ２１の容量が太陽光発電部１０の容量と等しい又は大きい場合と比較して、ＰＣＳ２１から出力される電力量は、日出から短い時間でＰＣＳ２１の定格容量に近づく。ＰＣＳ２１から出力される電力量が定格容量に近づいた後は、出力が定格以上にならないよう抑制する制御が行われる。ＰＣＳ２１から出力される電力量は、午後の遅い時間まで定格容量に近い値に保たれる。

言い換えると、太陽光発電部１０の容量をＰＣＳ２１の容量よりも大きくすることにより、ＰＣＳ２１の容量が太陽光発電部１０の容量と等しい又は大きい場合と比較して、出力電力が大きい時間を長くしやすい。また、太陽光発電部１０からＰＣＳ２１に供給される電力量が定格容量を超える場合には、超えた電力量を補助部２３に供給することにより消費される。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記の実施の形態においては、他の変換部２４が設けられている例に適用して説明したが、補助部２３が太陽光発電部１０から出力される直流電力で動作可能な物であった場合には、他の変換部２４は設けられていなくてもよい。

また、上記の実施の形態においては、切替え部２５が設けられている例に適用して説明したが、補助部２３への電力供給を制御する他の手段が設けられている場合には、切替え部２５は設けられていなくてもよい。

１…太陽光発電システム、１０…太陽光発電部、２０…電力変換システム、２１…パワーコンディショナ（変換部）、２２…変圧部、２３…補助部、２４…他の変換部、２５…切替え部、３０…商用系統

Claims (7)

1. 入射した太陽光を電力に変換する太陽光発電部から出力された直流電力を交流電力に変換する変換部と、
   前記変換部から出力された交流電力を所望の電圧の交流電力に変換するものであり、商用系統に電気的に接続された変圧部と、
   前記変換部による電力変換を補助するものであり、少なくとも前記変圧部よりも前記太陽光発電部側から供給される電力によって駆動される補助部と、
   が設けられていることを特徴とする電力変換システム。
2. 前記太陽光発電部および前記変換部の間から供給される直流電力を交流電力に変換する他の変換部が設けられ、
   前記補助部は、前記他の変換部で変換された交流電力が供給されることを特徴とする請求項１記載の電力変換システム。
3. 前記太陽光発電部から前記他の変換部への直流電流の供給を制御する切替え部が設けられていることを特徴とする請求項２記載の電力変換システム。
4. 前記補助部には、前記商用系統から交流電力が供給可能に接続され、
   前記他の変換部から前記補助部へ交流電力が供給されている場合には、前記商用系統から前記補助部への交流電力の供給は停止され、
   前記他の変換部から前記補助部へ交流電力の供給が停止されている場合には、前記商用系統から前記補助部へ交流電力が供給されることを特徴とする請求項２または３に記載の電力変換システム。
5. 前記補助部は、前記変換部の冷却に用いられる冷却部であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換システム。
6. 前記変換部に電力の供給が可能に接続された前記太陽光発電部における前記所定時間で発電可能な最大電力量である容量は、当該変換部における所定時間で変換可能な電力量である容量よりも大きいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換システム。
7. 入射した太陽光を電力に変換する太陽光発電部と、
   請求項１から６のいずれかに記載の電力変換システムと、
   が設けられていることを特徴とする太陽光発電システム。

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