JP2020137275A - 電源システム、電力変換装置、及び電力変換装置の制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
太陽光発電システムや、蓄電システム等に対して、FRT要件は、残電圧が20%以上の電圧低下(電圧低下継続時間1.0秒以下)に対しては運転を継続し、電圧復帰後に電圧低下前の出力の80%以上の出力まで復帰することを規定している。
さらに、この場合、電圧復帰後から80%以上の出力まで出力を復帰させるための時間(出力復帰時間)が0.1秒以内と規定されている。
MPPT(Maximum Power Point Tracking)制御によって制御される太陽光発電システムは、日射に応じた電力以上の電力を出力させようとすると、当該太陽光発電システムを短絡電流付近で制御することとなり、動作が不安定となる。
上記問題は、太陽電池パネルに限らず、自然エネルギーを用いる発電システムにおいて生じる問題である。
このため、自然エネルギーを用いる発電システムにおいて、瞬低復帰後の出力の迅速な復帰を安定して行うことができる技術が望まれる。
最初に実施形態の内容を列記して説明する。
(1)一実施形態である電源システムは、商用電力系統に連系する電源システムであって、第1直流電源と、蓄電池からなる第2直流電源と、DCバスと、前記第1直流電源と前記DCバスとの間に設けられた第1DC/DCコンバータと、前記第2直流電源と前記DCバスとの間に設けられた第2DC/DCコンバータと、前記DCバスと前記商用電力系統との間に設けられたインバータと、前記第1DC/DCコンバータ、前記第2DC/DCコンバータ、及び前記インバータの制御を行う制御部と、を備え、前記制御部は、前記商用電力系統において瞬時電力低下が生じた後、前記瞬時電力低下からの復帰を検出すると、前記復帰を検出してから所定の第1期間の間、少なくとも前記第2DC/DCコンバータに前記第2直流電源の電力を放電させ、かつ、前記インバータが出力する電力のうち、前記第2直流電源が負担する電力の負担割合が、前記第1直流電源が負担する電力の負担割合よりも大きくなるように、前記第1DC/DCコンバータ及び前記第2DC/DCコンバータを制御する。
この場合、優先的に第2直流電源にインバータの出力を負担させ、第1直流電源に不足分を負担させるように制御することで、第1直流電源の依存度をより下げることができ、インバータが出力する電力の迅速な復帰をより安定させることができる。
この場合、所定の第2期間が経過するまでに、逆潮流が許容されない第2直流電源の放電電力が、商用電力系統へ逆潮流するのを抑制するように制御することができる。
以下、好ましい実施形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。
図1は、電源システムの構成の一例を示すブロック図である。この電源システム1は、太陽光発電パネル2と、蓄電池4と、電力変換装置6とを備えている。
太陽光発電パネル2及び蓄電池4は、電力変換装置6に接続される。また、電力変換装置6には、商用電力系統8が接続される。
電力変換装置6と、商用電力系統8とは、交流電路10を介して接続されている。交流電路10には需要家の負荷12が接続されている。なお、交流電路10の2線は通常、単相3線の電圧線(U線,W線)である。
電力変換装置6は、第1DC/DCコンバータ16と、第2DC/DCコンバータ18と、インバータ20と、制御部21とを備えている。
インバータ20は、ブリッジ回路を構成するスイッチング素子Q5,Q6,Q7,Q8と、交流リアクトル34及び交流側コンデンサ36と、を備えている。スイッチング素子Q5,Q6,Q7,Q8にはそれぞれ、逆並列にダイオードd5,d6,d7,d8が接続されている。
図2は、本実施形態の電力変換装置6の制御部21が実行する制御動作を示すフローチャートであり、商用電力系統8に生じる瞬低に対する制御を示すフローチャートを示している。
次いで、制御部21は、商用電力系統8において瞬低が検出された否かを判定する(ステップS3)。
制御部21は、常時、商用電力系統8における瞬低の発生の検出を行う。また、制御部21は、瞬低の発生を検出すると、瞬低からの復帰の検出を行う。瞬低の検出及び瞬低からの復帰の検出は、電圧センサ52からの検出出力である交流電路10の電圧線2線間の電圧、又は、電圧センサ48からの検出出力であるDCバス30の2線間の電圧を用いて判定される。
瞬低モードは、瞬低を検出してから復帰するまでの間、制御部21が実行する制御モードである。瞬低モードの内容については、後に説明する。
ステップS5において瞬低からの復帰が検出されないと判定すると、制御部21は、ステップS4へ戻り、ステップS4、及びステップS5を再度実行する。よって、制御部21は、瞬低からの復帰が検出されるまで、瞬低モードを実行する。
第1復帰モードは、瞬低からの復帰を検出してから第1の所定期間(ここでは0.1秒)の間、制御部21が実行する制御モードである。第1復帰モードの内容については、後に説明する。
ステップS7において瞬低から復帰して0.1秒が経過していないと判定すると、制御部21は、ステップS6へ戻り、ステップS6、及びステップS7を再度実行する。よって、制御部21は、瞬低から復帰して0.1秒が経過するまで、第1復帰モードを実行する。
第2復帰モードは、第1復帰モードの終了後であって、瞬低からの復帰を検出してから第2の所定期間(ここでは0.5秒)の間、制御部21が実行する制御モードである。第2復帰モードの内容については、後に説明する。
ステップS9において瞬低から復帰して0.5秒が経過していないと判定すると、制御部21は、ステップS8へ戻り、ステップS8、及びステップS9を再度実行する。よって、制御部21は、瞬低から復帰して0.1秒が経過した後、瞬低から復帰して0.5秒が経過するまで、第2復帰モードを実行する。
図3中、横軸は時間を示しており、図3に示す各グラフの横軸(時間)は、互いに対応付けられている。
図3中、最上段には商用電力系統8の電圧(系統電圧)の経時変化を示している。系統電圧の下段には、順に、システム1の出力であるインバータ20の出力電力(交流出力電力)、DCバス電圧、蓄電池4の充放電電力(第2DC/DCコンバータ18の出力電力)、及び太陽光発電パネル2の発電電力(第1DC/DCコンバータ16の出力電力)それぞれの経時変化を示している。
期間P1において、交流出力電力が10kW、蓄電池4の充放電電力が5kWの放電、太陽光発電パネル2の発電電力が5kWであるとする。
制御部21は、商用電力系統8に瞬低が発生すると、その瞬低を検出し、瞬低モードを実行する(図2中、ステップS3、ステップS4)。
なお、図3では、制御部21は、タイミングT1にて瞬低を検出し、タイミングT1の後の期間P2において瞬低モードを実行する。
制御部21は、各モードにおいて図4に示す動作が実行されるように、インバータ20、第1DC/DCコンバータ16、及び第2DC/DCコンバータ18を制御する。
瞬低モードにおいて、インバータ20は、DCバス電圧の制御を中止するように制御される。また、インバータ20は、残電圧に応じて最小限の運転を継続するように制御される。
第1DC/DCコンバータ16は、定常制御から引き続き、MPPT制御を維持するように制御される。
また、第2DC/DCコンバータ18は、インバータ20に代わって、DCバス電圧を制御するように制御される。このとき、第2DC/DCコンバータ18は、DCバス電圧を定常制御の状態よりも高い電圧となるように制御する。
瞬低モードでは、第1DC/DCコンバータ16は、MPPT制御を維持する。よって、図3の太陽光発電パネル2の発電電力は、期間P2の間、出力電力5kWを維持する。また、第2DC/DCコンバータ18は、期間P2の間、DCバス電圧を一定に制御するために、蓄電池4に充電させる。
商用電力系統8が瞬低から復帰すると、制御部21は、その瞬低からの復帰を検出し、瞬低モードに代えて第1復帰モードを実行する(図2中、ステップS5、ステップS6)。
図3に示すように、DCバス電圧は、瞬低から復帰すると、瞬低時に対して低下する。制御部21は、系統電圧の上昇を検出することで瞬低からの復帰を検出することもできるし、DCバス電圧の低下を検出することで瞬低からの復帰を検出することもできる。
なお、図3では、制御部21は、タイミングT2にて瞬低からの復帰を検出し、タイミングT2の後の期間P3において第1復帰モードを実行する。
第2DC/DCコンバータ18は、DCバス電圧の制御を中止するように制御される。制御部21は、瞬低直前における両コンバータ16,18の出力(太陽光発電パネル2の発電電力及び蓄電池4の充放電電力)を合計した合計電力の80%を交流出力電力の目標値に設定する。第2DC/DCコンバータ18は、設定された目標値となるように、定格出力の範囲内で電力を出力して蓄電池4から電力を放電させるように制御される。前記目標値が第2DC/DCコンバータ18の定格出力を超える場合は、第2DC/DCコンバータ18は出力可能な最大電力である定格出力で電力を出力する。
また、第1DC/DCコンバータ16は、前記目標値に対して第2DC/DCコンバータ18の出力電力が不足する場合において、その不足分と同じ電力を出力するように制御される。但し、第1DC/DCコンバータ16は、第2DC/DCコンバータ18の出力電力よりも少ない範囲で電力を出力する。
つまり、制御部21は、瞬低からの復帰を検出すると、瞬低からの復帰を検出してから0.1秒が経過するまでの間、第2DC/DCコンバータ18に蓄電池4の電力を放電させ、かつ、インバータ20が出力する電力のうち、蓄電池4が負担する電力の負担割合が、太陽光発電パネル2が負担する電力の負担割合よりも大きくなるように制御する。
これにより、制御部21は、主として蓄電池4の放電電力によって、インバータ20の出力電力を復帰させる。
なお、期間P3は、例えば、0.1秒である。
また、制御部21は、主として蓄電池4の放電電力によって、交流出力電力を復帰させるため、期間P3において、定格出力である5kWを目標として第2DC/DCコンバータ18の出力を上昇させる。これによって、制御部21は、期間P3内に、太陽光発電パネル2の発電電力と、蓄電池4の放電電力との合計電力を8kWまで上昇させ、瞬低前にインバータ20が出力していた交流出力電力の80%まで復帰させる。
このように、制御部21は、速やかに出力が得られる蓄電池4の負担割合を相対的に大きくするように制御することで、インバータ20が出力する電力を迅速に復帰させることができる。
つまり、図3中の期間P3において、日射の低下が生じ、日射に応じた電力が3kWに低下したとしても、それ以上の電力を太陽光発電パネル2に出力させる必要がない。
この結果、期間P3において、太陽光発電パネル2の動作が不安定になるのを抑制でき、インバータ20が出力する電力の迅速な復帰を安定して行うことができる。
第2DC/DCコンバータ18は、瞬低直前における第2DC/DCコンバータ18の出力の80%となるように出力電力が制御される。
また、第1DC/DCコンバータ16は、瞬低直前における第1DC/DCコンバータ16の出力の80%となるように出力電力が制御される。なお、第1DC/DCコンバータ16は、日射に応じた電力以上には出力しないように制御される。
よって、第2DC/DCコンバータ18は、期間P4の間において、放電電力4kWを目標に制御される。また、第1DC/DCコンバータ16も、期間P4の間において、出力4kWを目標に制御される。
これにより、制御部21は、期間P4内に、両コンバータ16,18の出力(太陽光発電パネル2の発電電力及び蓄電池4の充放電電力)を、瞬低が発生する前の状態に、概ね復帰させることができる。
なお、期間P4は、例えば、0.4秒である。よって、タイミングT4は瞬低復帰後0.5秒経過したときのタイミングを示す。
つまり、制御部21は、瞬低が発生する前において、第2DC/DCコンバータ18からDCバス30へ向けて出力される電力が、負荷12の消費電力以下となるように制御する。
これにより、期間P4が経過するまでに、逆潮流が許容されない蓄電池4の放電電力が、商用電力系統8へ逆潮流するのを抑制するように制御することができる。
以下に、電力変換装置6(電源システム1)が運用動作における複数のモード(以下「動作モード」という。)を持つ場合に、各動作モードにおける瞬低時の動作について説明する。ここでは、電力変換装置6が3つの動作モード(例えば「シングル発電モード」、「ダブル発電モード」、及び「グリーンモード」)を持つものとする。動作モードの選択は例えばユーザの操作によって行われる。
図5には、電源システム1を構成する各要素を模式的に示し、電源システム1全体を時系列で並べて示している。図5中、「PV」は太陽光発電パネル2、「BS」は蓄電池4、「1stCNV」は第1DC/DCコンバータ16、「2ndCNV」は第2DC/DCコンバータ18、「INV」はインバータ20、「G」は商用電力系統8、及び「L」は負荷12を示す。また、「1stCNV」、「2ndCNV」、「INV」、「G」、及び「L」に隣接して示す数字は隣接する要素に流れる電力を示しており、矢印は隣接する要素に流れる電力の方向を示している。
さらに、電源システム1が逆電力保護リレーを備えており、蓄電池4の放電電力の逆潮流が検知されてから逆電力保護リレーが開路するまでの期間が0.5秒であるとする。
なお、本例では、シングル発電モードが選択されているが、制御部21は、第1復帰モードでは例外的に両コンバータ16,18から同時に電力を出力することを許容する。
これにより、図5に示すように、瞬低復帰後0.5秒の段階では、第1DC/DCコンバータ16は1.6kWを出力し、第2DC/DCコンバータ18は充放電を行っていない。インバータ20には、両DC/DCコンバータ16,18による1.6kWの電力が与えられ、そのうち、0.6kWが商用電力系統8へ与えられ、残りの1kWが負荷12へ与えられる。
よって、本例において、瞬低復帰後0.1秒の段階において蓄電池4の放電電力に逆潮流が生じたとしても、逆電力保護リレーが開路するのを抑制することができ、運転状態を維持することができる。
図6に示す電源システム1は、ダブル発電モードで動作する以外、図5で示した電源システム1と全て同様の条件であるものとする。なお、ダブル発電とは、太陽光発電パネル2が発電しているときに蓄電池4の放電を許容する発電態様のことである。
よって、図6に示すように、瞬低復帰後0.1秒の段階では、第2DC/DCコンバータ18は出力可能な最大値である1.5kWの電力を放電し、第1DC/DCコンバータ16は目標値に対する不足分である0.9kWの電力を出力する。インバータ20には、両DC/DCコンバータ16,18による2.4kWの電力が与えられ、そのうち、1.4kWが商用電力系統8へ与えられ、残りの1kWが負荷12へ与えられる。
よって、瞬低復帰後0.1秒が経過すると、第1DC/DCコンバータ16の出力電力は、瞬低直前の出力の80%である1.6kWとなるように調整される。また、第2DC/DCコンバータ18の出力電力は、瞬低直前の出力の80%である0.8kWとなるように調整される。
これにより、図6に示すように、瞬低復帰後0.5秒の段階では、第1DC/DCコンバータ16は1.6kWの電力を出力し、第2DC/DCコンバータ18は0.8kWの電力を出力する。インバータ20には、両DC/DCコンバータ16,18による2.4kWの電力が与えられ、そのうち、1.4kWが商用電力系統8へ与えられ、残りの1kWが負荷12へ与えられる。
よって、本例においても、瞬低復帰後0.1秒の段階において蓄電池4の放電電力に逆潮流が生じたとしても、逆電力保護リレーが開路するのを抑制することができ、運転状態を維持することができる。
図7に示す電源システム1は、グリーンモードで動作する以外、図5及び図6で示した電源システム1と全て同様の条件であるものとする。
なお、グリーンモードとは、太陽光発電パネル2で日中に発電した電力のうち余剰電力を蓄電し、その蓄電した電力を他の時間帯で使用することで、電力会社からの買電を少なくし、電力の自給自足を目的とするモードのことである。
よって、図7に示すように、瞬低復帰後0.1秒の段階では、第2DC/DCコンバータ18は0.8kWの電力を放電する。目標値に対して不足はないので、第1DC/DCコンバータ16は電力を出力しない。インバータ20には、第2DC/DCコンバータ18による0.8kWの電力が与えられる。負荷12には、インバータ20の出力電力0.8kWと、商用電力系統8からの電力0.2kWとが与えられる。
このとき、第1DC/DCコンバータ16の出力電力は、瞬低直前の出力の80%である1.6kWとなるように調整される。また、第2DC/DCコンバータ18の出力電力は、瞬低直前の出力の80%である0.8kW蓄電池4へ充電するように調整される。
これにより、図7に示すように、瞬低復帰後0.5秒の段階では、第1DC/DCコンバータ16は1.6kWの電力を出力し、第2DC/DCコンバータ18は0.8kWの電力を蓄電池4へ充電する。インバータ20には、両DC/DCコンバータ16,18による0.8kWの電力が与えられ、負荷12には、インバータ20の出力電力0.8kWと、商用電力系統8からの電力0.2kWとが与えられる。
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。
上記実施形態では、期間P3を0.1秒とした場合を例示したが、FRT要件を満たすことができれば、期間P3は、より短くてもよく、適宜変更することができる。
また、上記実施形態では、蓄電池4の放電電力の逆潮流が検知されてから逆電力保護リレーが開路するまでの期間が0.5秒であり、これに合わせて期間P4を0.4秒とした場合を例示したが、逆潮流が検知されてから逆電力保護リレーが開路するまでの期間の間に逆潮流しないように制御すればよいので、期間P4はより短くしてもよい。
また、太陽光発電パネル2に代えて、風力発電等、太陽光発電以外の他の自然エネルギーを用いる発電システムを用いてもよい。
2 太陽光発電パネル
4 蓄電池
6 電力変換装置
8 商用電力系統
10 交流電路
12 負荷
16 第1DC/DCコンバータ
18 第2DC/DCコンバータ
20 インバータ
21 制御部
22 直流側コンデンサ
24 直流リアクトル
26 直流側コンデンサ
28 直流リアクトル
30 DCバス
32 中間コンデンサ
34 交流リアクトル
36 交流側コンデンサ
38 連系スイッチ
40,42,48,52 電圧センサ
44,46,50,54,56 電流センサ
d1〜d8 ダイオード
Q1〜Q8 スイッチング素子
P1〜P5 期間
T1〜T4 タイミング
Claims (5)
- 商用電力系統に連系する電源システムであって、
第1直流電源と、
蓄電池からなる第2直流電源と、
DCバスと、
前記第1直流電源と前記DCバスとの間に設けられた第1DC/DCコンバータと、
前記第2直流電源と前記DCバスとの間に設けられた第2DC/DCコンバータと、
前記DCバスと前記商用電力系統との間に設けられたインバータと、
前記第1DC/DCコンバータ、前記第2DC/DCコンバータ、及び前記インバータの制御を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、前記商用電力系統において瞬時電力低下が生じた後、前記瞬時電力低下からの復帰を検出すると、前記復帰を検出してから所定の第1期間の間、少なくとも前記第2DC/DCコンバータに前記第2直流電源の電力を放電させ、かつ、前記インバータが出力する電力のうち、前記第2直流電源が負担する電力の負担割合が、前記第1直流電源が負担する電力の負担割合よりも大きくなるように、前記第1DC/DCコンバータ及び前記第2DC/DCコンバータを制御する
電源システム。 - 前記制御部は、前記インバータが出力する電力を、優先的に前記第2直流電源に負担させるように前記第2DC/DCコンバータを制御する
請求項1に記載の電源システム。 - 前記制御部は、さらに、前記所定の第1期間の経過後から、所定の第2期間までの間に、前記第2DC/DCコンバータから前記DCバスへ向けて出力される電力が、前記インバータと前記商用電力系統との間に接続される負荷によって消費される消費電力以下となるように前記第2DC/DCコンバータを制御する
請求項1又は請求項2に記載の電源システム。 - 第1直流電源及び蓄電池からなる第2直流電源と、商用電力系統と、の間で電力変換を行う電力変換装置であって、
DCバスと、
前記第1直流電源と前記DCバスとの間に設けられた第1DC/DCコンバータと、
前記第2直流電源と前記DCバスとの間に設けられた第2DC/DCコンバータと、
前記DCバスと前記商用電力系統との間に設けられたインバータと、
前記第1DC/DCコンバータ、前記第2DC/DCコンバータ、及び前記インバータの制御を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、前記商用電力系統において瞬時電力低下が生じた後、前記瞬時電力低下からの復帰を検出すると、前記復帰を検出してから所定の第1期間の間、少なくとも前記第2DC/DCコンバータに前記第2直流電源の電力を放電させ、かつ、前記インバータが出力する電力のうち、前記第2直流電源が負担する電力の負担割合が、前記第1直流電源が負担する電力の負担割合よりも大きくなるように、前記第1DC/DCコンバータ及び前記第2DC/DCコンバータを制御する
電力変換装置。 - DCバスと、
第1直流電源と前記DCバスとの間に設けられた第1DC/DCコンバータと、
蓄電池からなる第2直流電源と前記DCバスとの間に設けられた第2DC/DCコンバータと、
前記DCバスと前記商用電力系統との間に設けられたインバータと、を備え、
前記第1直流電源及び前記第2直流電源と、商用電力系統と、の間で電力変換を行う電力変換装置の制御方法であって、
前記商用電力系統において瞬時電力低下が生じた後、前記瞬時電力低下からの復帰を検出すると、前記復帰を検出してから所定の第1期間の間、少なくとも前記第2DC/DCコンバータに前記第2直流電源の電力を放電させ、かつ、前記インバータが出力する電力のうち、前記第2直流電源が負担する電力の負担割合が、前記第1直流電源が負担する電力の負担割合よりも大きくなるように、前記第1DC/DCコンバータ及び前記第2DC/DCコンバータを制御する
電力変換装置の制御方法。
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