JP2022190765A - 充放電装置および分散電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】コストの増大を招くことなく、電力系統の正常時における需給調整用の電力の最大化と、電力系統の停電時における長時間の電力供給とを可能にする充放電装置を提供する。【解決手段】系統連系運転と自立出力運転とを行う充放電装置１００Ａであって、系統連系端子Ｔ１と、自立出力端子Ｔ２と、接続切換部１１１と、双方向インバータ部１１２と、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部１１３と、ＤＣバス部１１４と、制御部１２０とを備える。制御部１２０は、自立出力運転の開始時に双方向インバータ部１１２から出力される自立出力電圧を所定の最大電圧値に制御する第１処理と、ＤＣバス電流が限りなくゼロになるように自立出力電圧を第１電圧値に制御する第２処理と、ＤＣバス電流が双方向インバータ部１１２から双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部１１３の方向に流れるように、自立出力電圧を第２電圧値に制御する第３処理とを実行することを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、充放電装置および分散電源システムに関する。

地球温暖化等の環境問題への対策として、再生可能エネルギーを利用した発電（例えば、太陽光発電）が注目されている。これに伴い、電力系統への電力の過剰供給が生じて電力ネットワークが不安定になるという問題が生じる。また、それとは逆に、特定の時間帯（例えば、夕刻）に負荷が急増して、電力系統の電力が不足するという問題が生じる。これらの問題に対応すべく、柔軟かつ最適に電力系統の電力の需給調整を行う仮想電力プラント、いわゆるＶＰＰ（Virtual Power Plant）へのニーズが高まっている。一方で、ＢＣＰ（Business Continuity Planning）の観点から、電力系統の停電時において非常用電源の確保を可能とする電源システムへのニーズも高まっている。これら２つのニーズを満たすのが、マイクログリッドやスマートグリッドであり、小規模エリア単位の分散電源システムである。

従来から、産業地域や大型施設向けの大規模な分散電源システムが存在している。しかしながら、大規模な分散電源システムは、大型の蓄電池が必要になり設備コストが高額になるため、産業地域においてインフラ設備の普及が進まず、大型施設においても普及が進んでいない。また、大規模な分散電源システムにおいて太陽光発電装置の併設が注目されているものの、太陽光発電装置も大型のものが必要になるため、その普及も進んでいない。

一方で、近年は電気自動車（ＥＶ）の普及が進んでおり、電気自動車用の充放電装置を含む一般家庭用としてのＶ２Ｈ（Vehicle to Home）システムが浸透してきている。電気自動車は、蓄電容量が大きいだけでなく、信頼性が高く、二酸化炭素の排出が少ないことから、その用途を一般家庭用としてだけでなく、産業地域や大型施設まで広げることが望まれている。すなわち、Ｖ２Ｇ（Vehicle to Grid）システムやＶ２Ｂ（Vehicle to Building）システムが望まれている。Ｖ２Ｇシステムとは、電気自動車を電力系統に連系し、電気自動車と電力系統との間で電力の相互供給を行うシステムである。Ｖ２Ｂシステムとは、電気自動車とビルとの間で電力の相互供給を行うシステムである。Ｖ２Ｈ、Ｖ２Ｇ、Ｖ２Ｂを総称して、Ｖ２Ｘという。

また、一般家庭用の太陽光発電装置に関して、再生可能エネルギー固定価格買取制度（ＦＩＴ）が終了することから、定置型蓄電池用の充放電装置を含む一般家庭用としてのＥＳＳ（Energy Storage System）システムも浸透してきている。

一般家庭用のＶ２ＨやＥＳＳは、小規模の分散電源システムとして広く普及してきているが、大規模な分散電源システムの用途としては普及が進んでいない。大規模な分散電源システムとして活用するためには、Ｖ２ＸやＥＳＳに含まれる充放電装置を複数台連系させることが不可欠であるが、複数台連系させるには技術的課題も多く、まだその最適解は得られていない。

電気設備技術基準では、電気自動車に搭載された蓄電池からの放電は充放電装置１台当たり最大１０［ｋＷ］までと規定されているため、数十～数百［ｋＷ］の電力の需給調整には、どうしても複数台の充放電装置が必要とされる。ＥＶ化社会の到来が見えてきている社会情勢の中、産業地域や大型施設において充放電装置を複数台連系させた分散電源システムのニーズは今後急激に高まってくることが予想される。

ところで、従来のＶ２ＸやＥＳＳにおける充放電装置は、電力系統への逆潮流ができない逆潮流防止型の構造であるため、当該充放電装置を複数台連系させた分散電源システムでは、電力系統の正常時に、電力系統側からみて各充放電装置よりも下流側の負荷電力（負荷の消費電力）以上の電力を、需給調整用の電力として有効に活用することができない。すなわち、各充放電装置の合計の定格出力電力が下流の負荷電力より十分大きい場合であっても、需給調整用の電力は負荷電力に制限されてしまう。

需給調整用の電力の最大化を図るためには、電力系統への逆潮流ができる逆潮流型の構造が必要となる。各充放電装置を逆潮流型の構造とすることで、理論上、需給調整用の電力は各充放電装置の合計の定格出力電力となる。しかしながら、各充放電装置を逆潮流型の構造にした場合、電力系統の停電時における連系制御には、重要な課題が残される。例えば、低圧幹線にマスター機である充放電装置と、スレーブ機である充放電装置と、発電装置（例えば、太陽光発電装置）が接続されている場合、停電時において、発電装置からマスター機である充放電装置への逆潮流は通常許容されない。このため、発電装置の余剰電力を有効に活用することができない。

上記のとおり、充放電装置を複数台連系させた分散電源システムでは、電力系統の正常時に需給調整用の電力の最大化が可能であること、電力系統の停電時に余剰電力を有効に活用することで非常用電源として長時間の電力供給が可能であることが課題となる。

従来の分散電源システムとしては、例えば、特許文献１～４に記載のものが知られている。特許文献１に記載の分散電源システムでは、電力系統から解列された複数の発電装置を自立出力運転させる際に、各発電装置のいずれか１つを基準の発電装置とし、自立出力の電圧制御を行い、交流電圧源を形成する。残りの発電装置は、基準の発電装置の出力電圧に同期してそれぞれ電流制御を行い、交流電圧源に同期した交流電流源をそれぞれ形成する。これにより、発電装置間で出力電力や出力電流等の情報をやりとりして同期をとることなく、各発電装置を並列同期運転することができる。しかしながら、特許文献１に記載の分散電源システムは、Ｖ２ＸやＥＳＳの充放電装置を含まないシステムである。

特許文献２に記載の分散電源システムは、複数の電気自動車の蓄電池の各々を施設における分散電源として用いるシステムである。このシステムでは、複数の電気自動車用の充放電装置に対して、マスター機およびスレーブ機の役割を設定する制御を簡易なロジックで行うことができる。しかしながら、そのためにアンシラリーサービス（電力品質に関わる電圧や周波数等の調整）を提供する専用のマスター電源と、マスター電源および充放電装置に電力供給を開始させる専用のマイクログリッド制御部が必要になるため、システム全体のコストが増大する。また、特許文献２に記載の分散電源システムは、電力系統の停電時に余剰電力を有効に活用するシステムとは無関係である。

特許文献３に記載の分散電源システムは、自立出力運転を行う第１の（太陽電池の）パワーコンディショナと、第１のパワーコンディショナの出力電力を補う第２の（燃料電池の）パワーコンディショナと、第１のパワーコンディショナの出力を制御する第１の制御部と、第２のパワーコンディショナの出力を制御する第２の制御部を備える。このシステムでは、種別の異なるパワーコンディショナにより、安定した電力を負荷に供給することができる。しかしながら、特許文献３に記載の分散電源システムでは、第１の制御部と第２の制御部とが相互に通信しながらパワーコンディショナの出力を制御するため、高速度で通信可能な通信インターフェースが必要になり、コストが増大する。さらに、第１のパワーコンディショナから負荷に供給される供給電力が、当該負荷が必要とする電力以上である場合、第１の制御部は第１のパワーコンディショナの出力電圧を制御して余剰電力を抑制するので、余剰電力を有効に活用することができない。

特許文献４に記載の分散電源システムは、直流発電装置と、直流発電装置の電力を負荷に供給する第１電力変換装置と、直流蓄電装置と、直流蓄電装置の充放電を行う第２電力変換装置とを備える。このシステムでは、負荷と電力系統とが切り離されたときに、有効電力が消費電力よりも大きく、直流蓄電装置が充電可能である場合、有効電力と消費電力との差分（余剰電力）を直流蓄電装置に充電することができる。しかしながら、特許文献４に記載の分散電源システムでは、第１電力変換装置と第２電力変換装置とが相互に通信しながら出力電力を制御するため、高速度で通信可能な通信インターフェースが必要になり、コストが増大する。

特開平１１－８９０９６号公報 特開２０１４－２１２６５９号公報 特許５７２１８５５号公報 ＷＯ２０１８/０７８６８３号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、コストの増大を招くことなく、電力系統の正常時における需給調整用の電力の最大化と、電力系統の停電時における長時間の電力供給とを可能にする充放電装置および分散電源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、本発明に係る充放電装置は、
系統連系運転と自立出力運転とを行う充放電装置であって、
系統連系端子と、
自立出力端子と、
ＡＣ／ＤＣ変換動作を行う双方向インバータ部と、
蓄電池に接続され、前記蓄電池の充放電を行う双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部と、
前記双方向インバータ部と前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部とを接続するＤＣバス部と、
前記系統連系運転の時に前記双方向インバータ部を前記系統連系端子に接続する一方、前記自立出力運転の時に前記双方向インバータ部を前記自立出力端子に接続する接続切換部と、
前記双方向インバータ部および前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記自立出力運転の開始時に、前記ＤＣバス部を流れるＤＣバス電流が前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部から前記双方向インバータ部の方向に流れるように、前記双方向インバータ部から出力される自立出力電圧を所定の最大電圧値に制御する第１処理と、
前記自立出力運転の時に、前記ＤＣバス電流がゼロまたは所定の最小値になるように、前記自立出力電圧を前記最大電圧値よりも小さい第１電圧値に制御する第２処理と、
前記自立出力運転の時に、前記ＤＣバス電流が前記双方向インバータ部から前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部の方向に流れるように、前記自立出力電圧を前記第１電圧値よりも小さい第２電圧値に制御する第３処理と、を実行することを特徴とする。

この構成では、自立出力運転時の制御部は、ＤＣバス電流に基づいて自立出力電圧を制御し、蓄電池の充放電を行う。すなわち、この構成では、自立出力電圧を制御するための通信インターフェースが不要となるので、コストの増大を招くことなく、電力系統の正常時における需給調整用の電力の最大化と、電力系統の停電時における長時間の電力供給とを可能にする。

前記充放電装置において、
前記制御部は、前記第１処理において前記自立出力電圧を前記最大電圧値に所定時間維持する制御を行った後に、前記第２処理を実行するよう構成できる。

前記充放電装置において、
前記制御部は、前記第２処理において前記自立出力電圧を前記第１電圧値に維持する制御を行い、前記蓄電池の残容量が所定値以下になった場合に前記第３処理を実行するよう構成できる。

前記充放電装置において、
前記制御部は、前記第３処理において前記蓄電池が満充電状態になった場合、前記第２処理を実行するよう構成できる。

上記課題を解決するために、本発明に係る分散電源システムは、
前記複数の充放電装置を含む分散電源システムであって、
前記複数の充放電装置のうちの一の充放電装置は、電力系統の停電時に自立出力運転を行う一方、前記複数の充放電装置の残りの充放電装置は、前記停電時に前記一の充放電装置から出力される自立出力電圧に同期した系統連系運転を行い、
前記一の充放電装置が前記自立出力運転を行っているときに、前記一の充放電装置に接続された蓄電池の残容量が所定値以下になった場合、
前記一の充放電装置が、前記残りの充放電装置の少なくとも１つが放電動作を行うことにより生成された放電電力により、前記蓄電池の充電を行うことを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、本発明に係る分散電源システムは、
前記複数の充放電装置と、
発電電力を生成する発電装置と、
を含む分散電源システムであって、
前記複数の充放電装置のうちの一の充放電装置は、電力系統の停電時に自立出力運転を行う一方、前記複数の充放電装置の残りの充放電装置および前記発電装置は、前記停電時に前記一の充放電装置から出力される自立出力電圧に同期した系統連系運転を行い、
前記一の充放電装置が前記自立出力運転を行っているときに、前記一の充放電装置に接続された蓄電池の残容量が所定値以下になった場合、
前記一の充放電装置が、前記発電電力により前記蓄電池の充電を行うことを特徴とする。

本発明によれば、コストの増大を招くことなく、電力系統の正常時における需給調整用の電力の最大化と、電力系統の停電時における長時間の電力供給とを可能にする充放電装置および分散電源システムを提供することができる。

本発明に係る分散電源システムを示す図である。 本発明に係る充放電装置のブロック図である。 本発明に係る充放電装置の双方向インバータ部、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部、ＤＣバス部の回路図である。 本発明に係る充放電装置のフィードバック制御を示すフロー図である。 本発明に係る充放電装置の出力特性と負荷変動特性を示す図である。 本発明に係る充放電装置の充電動作と放電動作の切り替えを示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る充放電装置および分散電源システムの実施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分散電源システム１を示す。分散電源システム１は、需要家の電気設備（受電設備）の低圧幹線Ｌに接続された、逆潮流型の複数の充放電装置１００Ａ～１００Ｃと、太陽光発電装置２００とを含む。

低圧幹線Ｌは、本実施形態では、単相三線式の送電線であり、変圧器２を介して電力系統に接続される。電力系統から見て変圧器２の上流側に第１遮断器３が介装され、変圧器２の下流側に第２遮断器４に介装される。変圧器２は、電力系統の電圧を降圧して低圧幹線Ｌに供給する。第１遮断器３および第２遮断器４は、電力系統の正常時に閉状態となる一方、電力系統の非常時（停電時）に開状態となって分散電源システム１を電力系統から切り離す。また、低圧幹線Ｌには、電化製品等の負荷５が接続される。

充放電装置１００Ａは、系統連系線Ｌ１、自立出力線Ｌ２、切替器１０Ａ、漏電遮断器１１Ａを介して低圧幹線Ｌに接続され、系統連系運転と自立出力運転を行う。充放電装置１００Ａは、電気自動車（ＥＶ）に搭載された蓄電池３００Ａに接続され、蓄電池３００Ａの充電と放電を行う。また、充放電装置１００Ａは、逆潮流検出用の電流センサ１２Ａから逆潮流電流の電流値に関する信号を取得する。充放電装置１００Ａおよび蓄電池３００Ａは、Ｖ２Ｘ（Ｖ２Ｘ：Ｖ２Ｈ、Ｖ２Ｇ、Ｖ２Ｂの総称）システムとして機能する。

充放電装置１００Ｂは、系統連系線Ｌ１、自立出力線Ｌ２、切替器１０Ｂ、漏電遮断器１１Ｂを介して低圧幹線Ｌに接続され、系統連系運転と自立出力運転を行う。充放電装置１００Ｂは、電気自動車（ＥＶ）に搭載された蓄電池３００Ｂに接続され、蓄電池３００Ｂの充電と放電を行う。また、充放電装置１００Ｂは、逆潮流検出用の電流センサ１２Ｂから逆潮流電流の電流値に関する信号を取得する。充放電装置１００Ｂおよび蓄電池３００Ｂは、Ｖ２Ｘシステムとして機能する。

充放電装置１００Ｃは、系統連系線Ｌ１、自立出力線Ｌ２、切替器１０Ｃ、漏電遮断器１１Ｃを介して低圧幹線Ｌに接続され、系統連系運転と自立出力運転を行う。充放電装置１００Ｃは、設置型の蓄電池３００Ｃに接続され、蓄電池３００Ｃの充電と放電を行う。また、充放電装置１００Ｃは、逆潮流検出用の電流センサ１２Ｃから逆潮流電流の電流値に関する信号を取得する。充放電装置１００Ｃおよび蓄電池３００Ｃは、ＥＳＳシステムとして機能する。

太陽光発電装置２００は、本発明の「発電装置」に相当し、太陽電池と太陽光パワーコンディショナ装置とを含む。太陽電池は、直流の発電電力を生成し、太陽光パワーコンディショナ装置は、上記直流の発電電力を交流の発電電力に変換して低圧幹線Ｌに供給する。また、太陽光発電装置２００は、逆潮流検出用の電流センサ１２Ｄから逆潮流電流の電流値に関する信号を取得する。

電力系統の正常時において、逆潮流型の充放電装置１００Ａ～１００Ｃは、電力系統の電圧に同期した系統連系運転を行い、必要に応じて定格出力電力を出力する。すなわち、充放電装置１００Ａ～１００Ｃの合計の定格出力電力を需給調整用の電力とすることができるため、需給調整用の電力の最大化が可能となる。

電力系統の非常時（停電時）においては、充放電装置１００Ａ～１００Ｃのうちの一台（本実施形態では、最上流側の充放電装置１００Ａ）がマスター機となり、自立出力運転を行う。残りの充放電装置１００Ｂ，１００Ｃはスレーブ機となり、マスター機である充放電装置１００Ａの自立出力電圧を電力系統の電圧として検出し、系統連系運転を行う。系統連系運転時の充放電装置１００Ｂ，１００Ｃは、充放電装置１００Ａの自立出力電圧に同期した電力（連系出力電力）を出力する。

さらに、分散電源システム１では、マスター機である充放電装置１００Ａへの逆潮流（蓄電池３００Ａの充電）を許容することができ、充放電装置１００Ａにおいて逆潮流電力の大きさを制御することができ、かつスレーブ機である充放電装置１００Ｂ，１００Ｃにも逆潮流電力を吸収させることができる。

図２に、充放電装置１００Ａのブロック図を示す。充放電装置１００Ａは、系統連系端子Ｔ１と、自立出力端子Ｔ２と、パワーコンディショナ部１１０と、制御部１２０とを備える。パワーコンディショナ部１１０は、接続切替部１１１と、双方向インバータ部１１２と、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部１１３と、ＤＣバス部１１４とを備える。制御部１２０は、第１制御部１２１と、第２制御部１２２と、第３制御部１２３とを備える。なお、充放電装置１００Ａの構成は、充放電装置１００Ｂ，１００Ｃの構成と同じであるため、充放電装置１００Ｂ，１００Ｃの説明は省略する。

接続切替部１１１は、双方向インバータ部１１２の交流側の接続先を、系統連系端子Ｔ１（系統連系線Ｌ１）と自立出力端子Ｔ２（自立出力線Ｌ２）とで切り替えるよう構成される。接続切替部１１１は、第１制御部１２１の制御下で、系統連系運転時に双方向インバータ部１１２を系統連系線Ｌ１に接続する一方、自立出力運転時に双方向インバータ部１１２を自立出力線Ｌ２に接続する。接続切替部１１１として、例えば、リレーを用いることができる。

なお、接続切替部１１１が系統連系線Ｌ１と接続しているときは、切替器１０Ａも系統連系線Ｌ１と接続し、接続切替部１１１が自立出力線Ｌ２と接続しているときは、切替器１０Ａも自立出力線Ｌ２と接続する。本実施形態では、充放電装置１００Ａがマスター機となる場合について説明しているが、切替器１０Ａ～１０Ｃおよび接続切替部１１１を適宜切り替えることで、充放電装置１００Ａがスレーブ機となり、かつ充放電装置１００Ｂまたは充放電装置１００Ｃがマスター機となることも可能である。

図３に、双方向インバータ部１１２、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部１１３およびＤＣバス部１１４の回路図を示す。交流電圧Ｖａｃの入出力が行われる双方向インバータ部１１２の交流端は、接続切替部１１１に接続される。直流電圧の入出力が行われる双方向インバータ部１１２の直流端は、ＤＣバス部１１４を介して双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部１１３の第１端に接続される。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部１１３の第２端は、図示しない接続部（例えば、コネクタ）を介して蓄電池３００Ａに接続される。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部１１３の第２端には、蓄電池３００Ａの充放電電圧Ｖｅｖが印加される。

双方向インバータ部１１２は、ＤＣバス部１１４から入力されたＤＣバス電圧Ｖｂを交流電圧Ｖａｃに変換して接続切替部１１１に出力するＤＣ／ＡＣ変換動作と、交流電圧Ｖａｃを直流の脈流電圧に変換してＤＣバス部１１４に出力するＡＣ／ＤＣ変換動作を行う。双方向インバータ部１１２は、例えば、３つのアームを構成する６つのスイッチング素子で構成される。なお、低圧幹線Ｌが単相二線式の送電線の場合は、２つのアームを構成する４つのスイッチング素子で構成される。

双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部１１３は、蓄電池３００Ａの充放電を行う。充電動作時の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部１１３は、ＤＣバス部１１４から入力されたＤＣバス電圧Ｖｂを所定の充電電圧Ｖｅｖに変換して、蓄電池３００Ａの充電を行う。放電動作時の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部１１３は、蓄電池３００Ａの放電を行い、蓄電池３００Ａの放電電圧Ｖｅｖを昇圧または降圧してＤＣバス部１１４に入力する。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部１１３は、各種の双方向絶縁回路方式があるが回路方式を特定しない。例えば、１次側フルブリッジ回路と、絶縁トランスと、２次側フルブリッジ回路と、２次側ＬＣフィルタ回路とで構成されるが、シームレスな方向切替が可能な回路方式が望ましい。

ＤＣバス部１１４は、双方向インバータ部１１２と双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部１１３との接続部分である。ＤＣバス部１１４には、入力された直流電圧を平滑してＤＣバス電圧Ｖｂを生成するための平滑用のコンデンサＣと、ＤＣバス部１１４を双方向に流れる直流のＤＣバス電流Ｉｂを検出するための電流センサ１１５と、ＤＣバス電圧Ｖｂを検出するための電圧センサ１１６とが設けられている。電流センサ１１５が検出したＤＣバス電流Ｉｂの電流値に関する信号と、電圧センサ１１６が検出したＤＣバス電圧Ｖｂの電圧値に関する信号は、制御部１２０に出力される。

制御部１２０を構成する第１制御部１２１、第２制御部１２２および第３制御部１２３のそれぞれは、アナログ制御回路で構成されていてもよいし、マイクロコントローラ等を使用したデジタル制御回路で構成されていてもよいし、アナログ制御回路とデジタル制御回路とを組み合わせた回路で構成されていてもよい。

第１制御部１２１は、ＤＣバス電流Ｉｂの電流値およびＤＣバス電圧Ｖｂの電圧値に基づいて、双方向インバータ部１１２の電力変換の方向および電力の大きさと、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部１１３の電力変換の方向および電力の大きさを決定する。第１制御部１２１は、決定した双方向インバータ部１１２の電力変換の方向および電力の大きさを第２制御部１２２に出力し、決定した双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部１１３の電力変換の方向および電力の大きさを第３制御部１２３に出力する。また、第１制御部１２１は、接続切替部１１１の制御も行う。

第２制御部１２２は、系統連系運転時に、双方向インバータ部１１２の出力を電力系統の電圧に同期させる系統連系制御を行う一方、自立出力運転時には、第１制御部１２１が決定した双方向インバータ部１１２の電力変換の方向および電力の大きさに基づいて、双方向インバータ部１１２の出力電圧制御（フィードバック制御）を行う。第２制御部１２２は、第３制御部１２３とは独立して動作する。

第３制御部１２３は、系統連系運転時および自立出力運転時に、第２制御部１２２とは独立して動作し、蓄電池３００Ａの充放電電力制御を行う。具体的には、第３制御部１２３は、第１制御部１２１が決定した双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部１１３の電力変換の方向および電力の大きさに基づいて、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部１１３を制御するための制御信号Ｖｄｃを生成し、当該制御信号Ｖｄｃにより双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部１１３のスイッチング素子の制御を行う。

図４に、自立出力運転時の出力電圧制御（フィードバック制御）のフロー図を示す。図４の制御フローは、第１処理部１２０ａ～第６処理部１２０ｆにより実行される。第１処理部１２０ａ～第６処理部１２０ｆは、制御部１２０を構成する第１制御部１２１および第２制御部１２２によって構成される。

第１処理部１２０ａは、自立出力運転の開始時における自立出力電圧Ｖａｃの電圧値ＶＨ（本実施形態では、ＶＨは系統連系規程の最大電圧値）と、電圧センサ１１６が検出したＤＣバス電圧Ｖｂと、電流センサ１１５が検出したＤＣバス電流Ｉｂとに基づいて、双方向インバータ部１１２の自立出力電圧Ｖａｃの目標値を決定する。

第２処理部１２０ｂは、双方向インバータ部１１２の自立出力電圧Ｖａｃが第１処理部１２０ａで決定した目標値となるように、双方向インバータ部１１２のスイッチング素子のゲート制御電圧Ｖｃｎｔを設定し、当該ゲート制御電圧Ｖｃｎｔに関する制御信号Ｖｉｎｖ（例えば、ＰＷＭ信号）を生成する。

第３処理部１２０ｃは、ＤＣバス電圧Ｖｂに異常が発生していないかの判断処理を行う。例えば、ＤＣバス電圧Ｖｂが過電圧になった場合、第３処理部１２０ｃは、自立出力電圧Ｖａｃを上昇させるか、または双方向インバータ部１１２のスイッチング動作を停止させる等の保護動作を行う。また、第３処理部１２０ｃは、ＤＣバス電圧Ｖｂの電圧値に関する信号を第１処理部１２０ａにフィードバックする。

第４処理部１２０ｄは、ＤＣバス電流Ｉｂの電流値が所定の制御範囲内に収まっているかの判断処理を行うとともに、ＤＣバス電流Ｉｂの電流値に関する信号を第１処理部１２０ａにフィードバックする。また、第４処理部１２０ｄは、適宜、ＤＣバス電流Ｉｂの目標値を設定する。

第５処理部１２０ｅは、第２処理部１２０ｂで生成した制御信号Ｖｉｎｖを出力して、双方向インバータ部１１２のスイッチング素子の制御（例えば、ＰＷＭ制御）を行う。第５処理部１２０ｅは、第６処理部１２０ｆからフィードバックされた自立出力電圧Ｖａｃの電圧値に関する信号に基づいて、制御信号Ｖｉｎｖを調整する。

第６処理部１２０ｆは、自立出力電圧Ｖａｃの電圧値が目標値に一致しているかの判断処理を行うとともに、自立出力電圧Ｖａｃの電圧値に関する信号を第５処理部１２０ｅにフィードバックする。

次に、図５を参照して、電力系統の非常時（停電時）における制御部１２０の制御について説明する。図５のグラフａはマスター機の自立出力電圧Ｖａｃを示し、グラフｂはスレーブ機の連系出力電力を示し、グラフｃは負荷５に供給される負荷電流を示し、グラフｄはマスター機のＤＣバス電流Ｉｂを示す。

停電が発生すると、分散電源システム１では、充放電装置１００Ａ～１００Ｃが交流電圧Ｖａｃの異常電圧（電圧低下）を検出するとともに、系統連系規程に基づいて一旦連系を停止させる。このとき、充放電装置１００Ａ～１００Ｃでは、接続切替部１１１は系統連系線Ｌ１に接続し、切替部１０Ａ～１０Ｃも系統連系線Ｌ１に接続している。非常用の電力供給を開始する場合、分散電源システム１では、低圧幹線Ｌの最上流位置に接続された充放電装置１００Ａがマスター機となり自立出力運転を開始する一方で、充放電装置１００Ｂ，１００Ｃおよび太陽光発電装置２００は、マスター機である充放電装置１００Ａの出力電圧を検知し、一定時間後にスレーブ機となり系統連系運転を行う。

充放電装置１００Ａでは、接続切替部１１１が自立出力線Ｌ２と接続した後、制御部１２０が双方向インバータ部１１２および双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部１１３の制御を行い、自立出力運転を開始させる。充放電装置１００Ａの自立出力運転時の制御は、第１処理、第２処理、第３処理を含む。

制御部１２０は、時刻ｔ１において自立出力運転を開始させると、双方向インバータ部１１２から出力される自立出力電圧（交流電圧Ｖａｃ）を所定の最大電圧値ＶＨに制御する。本実施形態では、ＶＨは系統連系規程の最大電圧値（例えば、１０７［Ｖ］）である。低圧幹線Ｌに負荷５が接続されていると、負荷５の負荷電流が増加するが、制御部１２０は、電流センサ１１５が検出したＤＣバス電流Ｉｂに基づいて、負荷電流の大きさを認識することができる。

自立出力運転の開始時において、自立出力電圧Ｖａｃは、負荷電流の突入により一時的に低下するが、制御部１２０は、ＤＣバス電流Ｉｂを増加させて、自立出力電圧Ｖａｃを最大電圧値ＶＨに維持する制御を行う。

充放電装置１００Ａにおいて、自立出力電圧Ｖａｃを最大電圧値ＶＨに維持する制御が行われ、一定時間（例えば、数ミリ秒程度）経過するとＤＣバス電流Ｉｂが安定する。例えば、数秒間、ＤＣバス電流Ｉｂの移動平均偏差率が３％以内になる等の所定の安定条件を満たすと、充放電装置１００Ｂ，１００Ｃおよび太陽光発電装置２００は、充放電装置１００Ａの自立出力電圧Ｖａｃを電力系統の電圧として検出し、一定の規程時間の後に自立出力電圧Ｖａｃに同期した系統連系運転を開始する。

充放電装置１００Ａの制御部１２０は、ＤＣバス電流Ｉｂが上記安定条件を満たしたことを認識すると、自立出力電圧Ｖａｃを所定の電圧ステップ（例えば、０．１［Ｖ］単位）で所定の第１電圧値Ｖ１まで低下させる制御を行う（時刻ｔ２）。この自立出力電圧Ｖａｃの制御は、制御信号Ｖｉｎｖにより行う。

充放電装置１００Ｂ，１００Ｃおよび太陽光発電装置２００は、充放電装置１００Ａの自立出力電圧Ｖａｃが低下するにしたがって、系統連系規程の電圧上昇抑制制御動作により、出力電力（連系出力電力）を徐々に上昇させる。その結果、出力電圧（連系出力電圧）が上昇する。一方で、充放電装置１００ＡのＤＣバス電流Ｉｂは徐々に減少する（図６のＸ２参照）。これは、分散電源システム１では、負荷５に近いところに接続されたスレーブ機から順に負荷５への電力供給を行うためである。なお、スレーブ機が存在しない場合、充放電装置１００ＡのＤＣバス電流Ｉｂは、自立出力電圧Ｖａｃが低下するにつれて増加するため（図６のＸ１参照）、充放電装置１００Ａの制御部１２０は、自立出力電圧Ｖａｃを最大電圧値ＶＨに戻して維持する制御を行う。

充放電装置１００Ａの制御部１２０は、自立出力電圧Ｖａｃの低下に伴うＤＣバス電流Ｉｂの減少を検出することで、スレーブ機の存在を認識できる。そして、充放電装置１００Ａの制御部１２０は、ＤＣバス電流Ｉｂがゼロまたは所定の最小値になるように、換言すれば自立出力電力が最小になるように、自立出力電圧Ｖａｃをフィードバック制御する。このフィードバック制御は、例えば、図４に示した制御フローで行う。本実施形態では、ＤＣバス電流Ｉｂがゼロになるとき、自立出力電圧Ｖａｃは第１電圧値Ｖ１になる。

充放電装置１００Ａの制御部１２０は、自立出力電圧Ｖａｃを第１電圧値Ｖ１に維持する制御を行う。これにより、充放電装置１００Ａに接続された蓄電池３００Ａの消耗は、充放電装置１００Ａが自立出力電圧Ｖａｃを第１電圧値Ｖ１に維持するだけの最小容量に抑えられる。ただし、自立出力運転が長時間続くと、蓄電池３００Ａの残容量（ＳＯＣ：State of Charge）は徐々に低下していく。

ところで、太陽光発電装置２００は、不安定な電力源であり、天候の変動で発電電力が大きく下がる場合がある。その場合、負荷５に対して不足の電力は負荷５に近いところに設置された分散電源（本実施形態では、充放電装置１００Ｃ）から電力が補充されるという連系動作が行われる。これにより、分散電源システム１では、充放電装置１００ＡのＤＣバス電流Ｉｂに影響を及ぼすことなく、安定した電力供給が継続される。

また、太陽光発電装置２００が発電していない場合も、負荷５に近いところに設置された分散電源（本実施形態では、充放電装置１００Ｃ）から電力が補充される。このとき、負荷５の消費電力（負荷電力）がスレーブ機の合計の電力（連系出力電力）よりも大きい場合は、再びマスター機である充放電装置１００Ａの自立出力電力で補うことになる。すなわち、充放電装置１００Ａの制御部１２０は、自立出力電圧Ｖａｃが徐々に低下し、バス電流Ｉｂが一定の値に安定化する（例えば、移動平均値で数百ミリ秒の間±３％以内の変動になる）電圧値に戻して維持する制御を行う。なお、負荷５の消費電力が大きすぎる場合、ＤＣバス電流Ｉｂが規定値より増加し、自立出力電圧Ｖａｃがさらに低下する場合があるが、この場合は負荷５の消費電力を低下させることを考慮する必要がある。

充放電装置１００Ａの制御部１２０は、第２処理において自立出力電圧Ｖａｃを第１電圧値Ｖ１に維持する制御を行い、蓄電池３００Ａの残容量が所定値以下になった場合、蓄電池３００Ａの充電を行うために第３処理を開始する（時刻ｔ３）。第３処理において、充放電装置１００Ａの制御部１２０は、自立出力電圧Ｖａｃを所定の電圧ステップ（例えば、０．１［Ｖ］単位）で所定の第２電圧値Ｖ２まで低下させる制御を行う。

スレーブ機の充放電装置１００Ｂ，１００Ｃおよび太陽光発電装置２００は、充放電装置１００Ａの自立出力電圧Ｖａｃが低下するにしたがって、出力電流を大きくすることで出力電力（連系出力電力）を上昇させる。スレーブ機の連系出力電力がマスター機の自立出力電力よりも大きくなると、充放電装置１００Ａは、双方向インバータ部１１２に交流電流が逆流入してくる動作となる。逆流入する交流電流は、双方向インバータ部１１２で整流されて、ＤＣバス部１１４に出力される。ＤＣバス部１１４のＤＣバス電流Ｉｂは、充電方向すなわちマイナス方向に自動的に増加していく。

充放電装置１００Ａの制御部１２０は、ＤＣバス電流Ｉｂが蓄電池３００Ａに充電可能な大きさになるように、自立出力電圧Ｖａｃのフィードバック制御を行う。本実施形態では、自立出力電圧Ｖａｃが第２電圧値Ｖ２（ただし、Ｖ２＞充放電装置１００Ａの定格電圧）になると、ＤＣバス電流Ｉｂが蓄電池３００Ａに充電可能な大きさになる。

充放電装置１００Ａの制御部１２０は、ＤＣバス電圧ＶｂがＤＣバス部１１４のコンデンサＣの定格電圧を超えないように、ＤＣバス電圧Ｖｂを常時監視するともに、ＤＣバス電流Ｉｂも常時監視する。充放電装置１００Ａの制御部１２０は、自立出力電圧Ｖａｃが第２電圧値Ｖ２になった時点で、自立出力電圧Ｖａｃを第２電圧値Ｖ２に維持する制御を行いながら、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部１１３の制御を放電制御から充電制御にシームレスに（制御を途切れさせることなく）切り替える。これにより、逆潮流を可能とする連系制御が実現され、自立出力運転時に「放電しながら充電」を行うという動作が実現される。なお、ＤＣバス電流Ｉｂの安定化のために、放電制御と充電制御との切り替えに一定時間のヒステリシス特性を持たせてもよい。

充放電装置１００Ｂ，１００Ｃは、低圧幹線Ｌに対する自己接続点から上流への逆潮流を検知することで、充電動作（充電制御）が可能となる。逆潮流電流は、蓄電池３００Ａ～３００Ｃの充電電流の合計値を最大値として制御される。分散電源システム１では、逆潮流制御始動時はマスター機である充放電装置１００Ａに接続された蓄電池３００Ａの充電電流で始動されるが、その後、最下流の充放電装置１００Ｃに接続された蓄電池３００Ｃから充電が実行され、下流の充放電装置１００Ｃの充電電流の大きさに従って下流の蓄電池３００Ｃから順次充電動作が実行される。太陽光発電装置２００が発電していない場合、スレーブ機の充放電装置１００Ｂ，１００Ｃに接続された蓄電池３００Ｂ，３００Ｃの放電が優先され、負荷容量が充放電装置１００Ｂと充放電装置１００Ｃの合計出量電力より小さい場合は、蓄電池３００Ｂ，３００Ｃの放電電力がマスター機である充放電装置１００Ａに供給され、充放電装置１００Ａが充電動作を行うことが可能となる。

充放電装置１００Ａの制御部１２０は、第３処理により蓄電池３００Ａが満充電になった時点で、再度第２処理を実行する。第２処理と第３処理との繰り返しにより、充放電装置１００Ａは、長時間の電力供給を可能にする。

結局、充放電装置１００Ａでは、自立出力電圧Ｖａｃを制御するための通信インターフェース（例えば、充放電装置１００Ｂ，１００Ｃと高速通信を行うための通信インターフェース）が不要となるので、コストの増大を招くことなく、電力系統の正常時における需給調整用の電力の最大化と、電力系統の停電時における長時間の電力供給とを可能にする。特に太陽光発電装置２００などの再生可能エネルギー発電装置等の分散電源が設置されている場合は、各分散電源の省エネの観点からも各充放電装置の最適有効利用が可能となる。

以上、本発明に係る充放電装置および分散電源システムの実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

本発明に係る充放電装置は、系統連系端子と、自立出力端子と、ＡＣ／ＤＣ変換動作を行う双方向インバータ部と、蓄電池に接続され、蓄電池の充放電を行う双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部と、コンデンサを有し、双方向インバータ部と双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部とを接続するＤＣバス部と、系統連系運転の時に双方向インバータ部を系統連系端子に接続する一方、自立出力運転の時に双方向インバータ部を自立出力端子に接続する接続切換部と、双方向インバータ部および双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部を制御する制御部と、を備える。

本発明の制御部は、自立出力運転の開始時に、ＤＣバス部を流れるＤＣバス電流が双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部から双方向インバータ部の方向に流れるように、双方向インバータ部から出力される自立出力電圧を所定の最大電圧値に制御する第１処理と、自立出力運転の時に、ＤＣバス電流がゼロまたは所定の最小値になるように、自立出力電圧を最大電圧値よりも小さい第１電圧値に制御する第２処理と、自立出力運転の時に、ＤＣバス電流が双方向インバータ部から双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部の方向に流れるように、自立出力電圧を第１電圧値よりも小さい第２電圧値に制御する第３処理と、を実行するのであれば適宜構成を変更できる。

本発明に係る分散電源システムは、本発明に係る充放電装置を複数備え、複数の充放電装置のうちの一の充放電装置は、電力系統の停電時に自立出力運転を行う一方、複数の充放電装置の残りの充放電装置は、停電時に一の充放電装置から出力される自立出力電圧に同期した系統連系運転を行い、一の充放電装置が自立出力運転を行っているときに、一の充放電装置に接続された蓄電池の残容量が所定値以下になった場合、一の充放電装置が、残りの充放電装置の少なくとも１つが放電動作を行うことにより生成された放電電力により、蓄電池の充電を行うのであれば、適宜構成を変更できる。ここで、一の充放電装置に接続された蓄電池に限らず、他の充放電装置に接続された蓄電池が充電可能な状態にあるときは、放電電力によりそれらも併せて充電してもよい。

本発明に係る分散電源システムが発電電力を生成する発電装置を備える場合、一の充放電装置が、発電電力により蓄電池の充電を行うよう構成できる。

１ 分散電源システム
２ 変圧器
３ 第１遮断器
４ 第２遮断器
５ 負荷
１０Ａ～１０Ｃ 切替器
１１Ａ～１１Ｃ 漏電遮断器
１２Ａ～１２Ｄ 電流センサ
１００Ａ～１００Ｃ 充放電装置
１１０ パワーコンディショナ部
１１１ 接続切替部
１１２ 双方向インバータ部
１１３ 双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部
１１４ ＤＣバス部
１１５ 電流センサ
１１６ 電圧センサ
１２０ 制御部
１２０ａ 第１処理部
１２０ｂ 第２処理部
１２０ｃ 第３処理部
１２０ｄ 第４処理部
１２０ｅ 第５処理部
１２０ｆ 第６処理部
１２１ 第１制御部
１２２ 第２制御部
１２３ 第３制御部
２００ 太陽光発電装置
３００Ａ～３００Ｃ 蓄電池

Claims (6)

1. 系統連系運転と自立出力運転とを行う充放電装置であって、
   系統連系端子と、
   自立出力端子と、
   ＡＣ／ＤＣ変換動作を行う双方向インバータ部と、
   蓄電池に接続され、前記蓄電池の充放電を行う双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部と、
   前記双方向インバータ部と前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部とを接続するＤＣバス部と、
   前記系統連系運転の時に前記双方向インバータ部を前記系統連系端子に接続する一方、前記自立出力運転の時に前記双方向インバータ部を前記自立出力端子に接続する接続切換部と、
   前記双方向インバータ部および前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記自立出力運転の開始時に、前記ＤＣバス部を流れるＤＣバス電流が前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部から前記双方向インバータ部の方向に流れるように、前記双方向インバータ部から出力される自立出力電圧を所定の最大電圧値に制御する第１処理と、
   前記自立出力運転の時に、前記ＤＣバス電流がゼロまたは所定の最小値になるように、前記自立出力電圧を前記最大電圧値よりも小さい第１電圧値に制御する第２処理と、
   前記自立出力運転の時に、前記ＤＣバス電流が前記双方向インバータ部から前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ部の方向に流れるように、前記自立出力電圧を前記第１電圧値よりも小さい第２電圧値に制御する第３処理と、を実行する
   ことを特徴とする充放電装置。
2. 前記制御部は、前記第１処理において前記自立出力電圧を前記最大電圧値に所定時間維持する制御を行った後に、前記第２処理を実行する
   ことを特徴とする請求項１に記載の充放電装置。
3. 前記制御部は、前記第２処理において前記自立出力電圧を前記第１電圧値に維持する制御を行い、前記蓄電池の残容量が所定値以下になった場合に前記第３処理を実行する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の充放電装置。
4. 前記制御部は、前記第３処理において前記蓄電池が満充電状態になった場合、前記第２処理を実行する
   ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の充放電装置。
5. 請求項１～４のいずれか一項に記載の複数の充放電装置を含む分散電源システムであって、
   前記複数の充放電装置のうちの一の充放電装置は、電力系統の停電時に自立出力運転を行う一方、前記複数の充放電装置の残りの充放電装置は、前記停電時に前記一の充放電装置から出力される自立出力電圧に同期した系統連系運転を行い、
   前記一の充放電装置が前記自立出力運転を行っているときに、前記一の充放電装置に接続された蓄電池の残容量が所定値以下になった場合、
   前記一の充放電装置が、前記残りの充放電装置の少なくとも１つが放電動作を行うことにより生成された放電電力により、前記蓄電池の充電を行う
   ことを特徴とする分散電源システム。
6. 請求項１～４のいずれか一項に記載の複数の充放電装置と、
   発電電力を生成する発電装置と、
   を含む分散電源システムであって、
   前記複数の充放電装置のうちの一の充放電装置は、電力系統の停電時に自立出力運転を行う一方、前記複数の充放電装置の残りの充放電装置および前記発電装置は、前記停電時に前記一の充放電装置から出力される自立出力電圧に同期した系統連系運転を行い、
   前記一の充放電装置が前記自立出力運転を行っているときに、前記一の充放電装置に接続された蓄電池の残容量が所定値以下になった場合、
   前記一の充放電装置が、前記発電電力により前記蓄電池の充電を行うことを特徴とする分散電源システム。

Images