JP2024032226A - 電力システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力システムの受電点電力を電力閾値以下に制限することで、電力システムの設備を保護する。【解決手段】連系線Ｌ０を介して電力系統１と連系する電力システムＳであって、定置電源１０の電力を変換する電力変換装置３０と、車両用の充放電器１００と、制御装置５０と、を含み、前記定置電源は発電機１１と蓄電装置１５とを含み、前記充放電器１００は、分岐線Ｌ１を介して、電力系統１に対して電力変換装置３０と並列に接続され、前記制御装置５０は、前記電力システムＳの受電点電力Ｐ４が電力閾値を超過している場合又は受電点電流が電流閾値を超過している場合、前記受電点電力を制限する電力制限処理又は前記受電点電流を制限する電流制限処理を実行する。【選択図】図５

Description

本発明は、電力系統と連系する電力システムに関する。

化石燃料に対する依存の低減や環境問題の観点から太陽光発電（ＰＶ：Photovoltaic）システムに代表される分散型電源の導入が進められている。ＰＶシステムは太陽光発電パネルで発電された電力を、インバータ回路を用いて、直流から交流に変換して出力している。下記特許文献１は、電力系統と連系する太陽光発電システムについて開示がある。

特開２０１９－１２６１１０号公報

電力系統と連系する電力システムにおいて、車両用の充放電器や蓄電装置が接続されたものがある。充放電器や蓄電装置の放電により電力システムの受電点電力（受電点電流も同様）が増加する傾向にあった。

本発明は、電力システムの受電点電力（受電点電流も同様）を受電容量など所定の閾値以下に制限することで、電力システムの設備を保護することを課題とする。

連系線を介して電力系統と連系する電力システムは、定置電源の電力を変換する電力変換装置と、車両用の充放電器と、制御装置と、を含む。前記定置電源は発電機と蓄電装置とを含む。前記充放電器は、分岐線を介して、電力系統に対して電力変換装置と並列に接続され、前記制御装置は、前記電力システムの受電点電力が電力閾値 を超過している場合又は受電点電流が電流閾値を超過している場合、前記受電点電力を制限する電力制限処理又は前記受電点電流を制限する電流制限処理を実行する。

電力システムの受電点電力を、電力閾値以下に制限することで、電力システムを保護することが出来る。受電点電流を制限する場合も同様である。

電力システムのブロック図 充放電器と自動車の斜視図 受電点電力の説明図 受電点電力制御のフローチャート 受電点電力の変化を示す図 受電点電力の変化を示す図 受電点電力の変化を示す図

（本実施形態の概要）
（１）本発明の一実施形態に係る電力システムは、連系線を介して電力系統と連系する電力システムであって、定置電源の電力を変換する電力変換装置と、車両用の充放電器と、制御装置と、を含む。前記定置電源は発電機と蓄電装置とを含む。前記充放電器は、分岐線を介して、電力系統に対して電力変換装置と並列に接続され、前記制御装置は、前記電力システムの受電点電力が電力閾値を超過している場合又は受電点電流が電流閾値を超過している場合、前記受電点電力を制限する電力制限処理又は前記受電点電流を制限する電流制限処理を実行する。

本発明の一実施形態に係る電力システムによれば、電力制限処理の実行により、電力システムの受電点電力を電力閾値以下に制限することで、連系スイッチの故障や連系線の異常発熱を抑制することが出来る。そのため、電力システムを保護することが出来、電力システムの安定稼働に寄与することが出来る。受電点電流を制限する場合も同様である。

（２）上記（１）に記載の電力システムにおいて、前記制御装置は、前記電力制限処理又は前記電流制限処理において、前記発電機、前記蓄電装置及び前記充放電器を所定の優先度に従って出力し、優先度の低い機器の出力を制限してもよい。

（２）に記載の電力システムによれば、発電機、蓄電装置、充放電器の出力に優先順を設けることで、各機器の使用目的に応じた、エネルギーマネージメントが可能となる。

（３）上記（２）に記載の電力システムにおいて、前記発電機は、再生可能エネルギーを利用した発電方式の発電機であり、前記制御装置は、前記電力制限処理又は前記電流制限処理において、再生可能エネルギーを利用した発電方式の発電機を、前記蓄電装置及び前記充放電器に比べ優先的に出力してもよい。

（３）に記載の電力システムによれば、再生可能エネルギーの優先利用により、再生可能エネルギーの積極活用に貢献することが出来る。

（４）上記（２）又は（３）に記載の電力システムにおいて、前記制御装置は、前記電力制限処理又は前記電流制限処理において、前記蓄電装置の出力を、前記発電機及び前記充放電器に比べ優先的に制限してもよい。

（４）に記載の電力システムによれば、蓄電装置に蓄電された電気エネルギーの減少を抑えることが出来るので、災害に備えることが出来る。

（５）上記（２）に記載の電力システムにおいて、前記制御装置は、前記電力制限処理又は前記電流制限処理おいて、前記充放電器の出力を、前記発電機及び前記蓄電装置に比べ優先的に制限してもよい。

（５）に記載の電力システムによれば、車載された蓄電装置を温存し、災害に備えることが出来る。

（６）上記（１）に記載の電力システムにおいて、前記制御装置は、前記発電機及び前記充放電器の合計電力が電力閾値以上の場合、前記電力制限処理において、前記発電機の出力の一部で前記蓄電装置を充電してもよい。又は、前記発電機及び前記充放電器の合計電流が電流閾値以上の場合、前記電流制限処理において、前記発電機の出力の一部で前記蓄電装置を充電してもよい。

（６）に記載の電力システムによれば、発電機の出力の一部で蓄電装置を充電することにより、蓄電装置に電気エネルギーを蓄電することが出来、災害に備えることが出来る。

＜実施形態１＞
１．電力システムＳの説明
図１は電力システムＳのブロック図である。電力システムＳ１は、定置電源１０、パワーコンディショナ２０、連系スイッチ６３、計測器６５及び充放電器１００を含む。

定置電源１０は、太陽光発電パネル１１と定置バッテリ１５である。定置バッテリ１５は、リチウムイオン二次電池など、繰り返し充放電可能な二次電池を用いることができる。太陽光発電パネル１１は本発明の「発電機（機械を電気に変換する機械に限らず、発電する装置の総称）」の一例、定置バッテリ１５は本発明の「蓄電装置」の一例である。

パワーコンディショナ２０は、第１コンバータ回路２２、第２コンバータ回路２５、インバータ回路３０、計測部３１、制御装置５０及び通信部５７を備えている。

第１コンバータ回路２２には、太陽光発電パネル１１が接続されている。第１コンバータ回路２２は、ＤＣ／ＤＣコンバータである。第１コンバータ回路２２により、太陽光発電パネル１１の出力を制御することができる。第１コンバータ回路２２はチョッパでもよい。

第２コンバータ回路２５には、定置バッテリ１５が接続されている。第２コンバータ回路２５は、定置バッテリ１５の放電と充電を行う双方向のＤＣ／ＤＣコンバータである。第２コンバータ回路２５は双方向チョッパでもよい。

第２コンバータ回路２５により、定置バッテリ１５の出力を制御することができる。第２コンバータ回路２５は、定置バッテリ１５の充電電流、放電電流を計測する計測部を備えてもよい。充電電流、放電電流を計測する計測部は、定置バッテリ１５にあってもよい。

第１コンバータ回路２２と第２コンバータ回路２５は、インバータ回路３０に対して、それぞれ接続されている。

インバータ回路３０は、ＤＣをＡＣに変換する逆変換（インバータ）と、ＡＣをＤＣに変換する順変換（コンバータ）を選択的に行う、双方向の変換回路である。インバータ回路３０は、逆変換（インバータ）のみ行う変換回路でもよい。インバータ回路３０は、電力変換装置である。

インバータ回路３０を逆変換動作させることで、定置電源１０より入力される直流電力を交流電力に変換して出力することが出来る。

インバータ回路３０を順変換動作させることで、電力系統１より入力される交流電力を直流電力に変換して出力することが出来る。出力される直流電力により、定置バッテリ１５を充電することが出来る。太陽光発電パネル１１の余剰電力で、定置バッテリ１５を充電することも出来る。

計測部３１は、インバータ回路３０の逆変換動作時の出力電圧Vinv、出力電流Iinvを計測する。順変換動作時は入力電圧Vinv、入力電流Iinvを計測する。計測部３１の計測結果は、制御装置５０に入力される。

制御装置５０は、ＣＰＵ５１、メモリ５３を有する。制御装置５０は、インバータ回路３０に指令を与えることで、順変換動作、逆変換動作の切り換えを制御できる。

制御装置５０は、太陽光発電パネル１１、定置バッテリ１５及び充放電器１００の出力を制御することが出来る。太陽光発電パネル１１の出力は、第１コンバータ２２を介して制御することが出来、定置バッテリ１５の出力は、第２コンバータ２５を介して制御することが出来る。充放電器１００の出力は、充放電１００の制御部１２１を介して、制御することが出来る。

メモリ５３には、インバータ回路３０の制御プログラムや受電点電力Ｐ４の制御プログラムが記憶されている。その他、インバータ回路３０の制御や、受電電力制御に必要なデータを記憶している。

パワーコンディショナ２０は、連系スイッチ６３、連系線Ｌ０を介して、電力系統１に接続されている。連系スイッチ６３は、パワーコンディショナ２０や電力系統１に異常がない場合、クローズに制御される。

電力系統１は、電気事業者が運営する系統であり、系統電源３を有している。電力システムＳの受電点Ｄには、計測器６５が設置されている。

計測器６５は、電力システムS１の受電点電力P４[ｋＷ]を計測する。受電点電力Ｐ４は、受電点Ｄにおける電力である。計測器６５の計測結果（受電点電力Ｐ４）は、通信回線を通じて、制御装置５０に送信される。図１に示す破線は、電力系統１と電力システムＳの境界を示している。

連系スイッチ６３の両端点Ｂ、Ｃのうち、インバータ回路側の端点Ｂには、分岐線Ｌ１を介して、自動車用の充放電器１００が接続されている。

充放電器１００は、電力変換器１１０と、制御部１２１と、記憶部１２３と、通信部１２７とを備える。

電力変換器１１０は、交流電力ＡＣを直流電力ＤＣに変換する順変換（コンバータ機能）と、直流電力ＤＣを交流電力ＡＣに変換する逆変換（インバータ機能）とを選択的に行う、双方向の変換回路である。

図２は、充放電器１００と自動車２００の斜視図である。自動車２００は、例えば、電気自動車やハイブリッド車である。充放電器１００は、電気ケーブル１３０を介して、自動車２００に接続することが出来、自動車２００の搭載バッテリ２３０を充電又は放電することができる。

具体的には、電力変換器１１０の順変換動作により搭載バッテリ２３０を充電し、電力変換器１１０の逆変換動作により搭載バッテリ２３０を放電することができる。充放電器１００は、充電電流、放電電流を計測する計測部を備えていてもよい。

電気ケーブル１３０は、充放電用の電力線１３０Ａに加え、信号線１３０Ｂを含んでいる。制御部１２１は信号線１３０Ｂを介して自動車２００と通信可能に接続される。

制御部１２１は、自動車２００の車両ＥＣＵ２１０から搭載バッテリ２３０の残存容量［Ah］の情報を受信する。制御部１２１は、搭載バッテリ２３０の充電電流、放電電流に基づいて、搭載バッテリ２３０の充放電量［Ah］を算出し、搭載バッテリ２３０の残存容量［Ah］を管理することが出来る。

記憶部１２３は、自動車２００の充放電の履歴や搭載バッテリ２３０の残存容量のデータを記憶する。充放電器１００は、通信部１２７を介して、パワーコンディショナ２０の通信部５７に通信可能に接続されている。

２．逆潮流時における受電点電力の制御
図３は、逆潮流時における受電点電力Ｐ４の説明図である。逆潮流は、電力システムＳから電力系統１に向かう潮流（図３の左から右に向かう潮流）である。受電点Ｄの電力潮流が、順潮流か逆潮流のいずれであるかは、計測器６５による電力計測値の正負より、判断可能である。

受電点電力Ｐ４は、受電点Ｄの電力であり、太陽光発電パネル１１の直流出力を変換した交流出力電力をＰ１、定置バッテリ１５の直流出力を変換した交流出力電力をＰ２、充放電器１００の出力した交流放電電力をＰ３として、（１）式にて、表すことが出来る。

Ｐ４＝Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３・・（１）

受電点電力Ｐ４が、所定の電力閾値を超えると、連系スイッチ６３の故障や、連系線Ｌ０が異常発熱する可能性がある。電力閾値は、例えば、受電点Ｄにおける電力の上限値であり、連系スイッチ６３や連系線Ｌ０の定格電力や許容電力などでもよい。

図４は、受電点電力制御のフローチャートである。図４の受電点電力制御は、受電点Ｄの電力潮流が逆潮流である場合に実行される。

制御装置５０は、受電点Ｄの電力潮流が逆潮流の場合、図４に示すように、計測器６５より受電点電力Ｐ４を取得し、電力閾値と比較する（Ｓ１０、Ｓ２０）。電力閾値は、一例として２０[ｋＷ]とする。

受電点電力Ｐ４が電力閾値以下の場合、制御装置５０は、太陽光発電パネル１１、定置バッテリ１５、充放電器１００について、出力を現在値に維持する。

受電点電力Ｐ４が電力閾値を超えている場合、制御装置５０は、太陽光発電パネル１１、定置バッテリ１５及び充放電器１００を対象として、電力制限処理を実行する。

電力制限処理は、太陽光発電パネル１１、定置バッテリ１５及び充放電器１００の合計電力を、電力閾値以下に、抑える処理である。

具体的には、太陽光発電パネル１１、定置バッテリ１５及び充放電器１００がいずれも出力中の場合、制御装置５０は、以下の優先度に従って機器を出力し、優先度の低い機器の出力を制限する。

＜出力の優先度＞
太陽光発電パネル１１＞充放電器１００＞定置バッテリ１５

図５の例では、太陽光発電パネル１１、定置バッテリ１５及び充放電器１００の出力電力Ｐ１～Ｐ３はそれぞれ１０[ｋＷ]である。受電点電力Ｐ４は３０[ｋＷ]で、電力閾値２０[ｋＷ]を１０[ｋＷ]超過している。

この例では、太陽光発電パネル１１、充放電器１００の優先度は高いため、太陽光発電パネル１１の出力電力Ｐ１、充放電器１００の放電電力Ｐ３は１０[kW]に維持される。

定置バッテリ１５は優先度が低いため、出力電力Ｐ２を１０[kW]から０[kW]に制限する。

定置バッテリ１５の出力制限により、受電点電力Ｐ４は、３０[ｋＷ]から２０[ｋＷ]に低下し、電力閾値２０[ｋＷ]以下に制限される。

出力の優先度は、メモリ５３に初期設定として上記の順番が設定されているが、パワーコンディショナ２０に対する外部からの入力操作により、優先度の順番を変更できるようにしてもよい。

３．効果説明
この構成によれば、受電点電力Ｐ４の超過による連系スイッチ６３の故障、連系線Ｌ０の異常発熱を抑制できる。そのため、電力システムＳの設備を保護することが出来る。

この構成によれば、Ｓ３０の電力制限処理において、太陽光発電パネル１１の出力優先度が高いため、再生可能エネルギーを優先的に利用することが出来る。また、定置バッテリ１５を出力制限することで、定置バッテリ１５の電気エネルギーの減少を抑えることが出来、災害に備えることが出来る。

＜実施形態２＞
実施形態２は、実施形態１に対して、電力制限処理が異なる。
太陽光発電パネル１１及び充放電器１００の合計電力Ｐ１＋Ｐ３が電力閾値２０[ｋＷ]を超えている場合、制御装置５０は、太陽光発電パネル１１の出力電力Ｐ１の一部で、定置バッテリ１５を充電する。合計電力Ｐ１＋Ｐ３は、受電点電力Ｐ４の計測値から定置バッテリ１５の出力電力Ｐ２を減じることで算出することが出来る。

定置バッテリ１５の充電により、受電点電力Ｐ４を下げ、電力閾値２０[ｋＷ]以下に、制限することが出来る。

図６の例では、太陽光発電パネル１１の出力電力Ｐ１は２０[kW]、充放電器１００の放電電力は１０[kW]である。受電点電力Ｐ４は３０[kW]で、電力閾値２０[kW]を１０[kW]超過している。

太陽光発電パネル１１の出力電力２０[kW]のうち１０[kW]を、定置バッテリ１５の充電に回すことで、受電点電力Ｐ４は、３０[kW]から２０[kW]に低下し、電力閾値２０[kW]以下に制限される。

この構成によれば、定置バッテリ１５の充電により、定置バッテリ１５に電気エネルギーを蓄えることが出来るので、災害に備えることが出来る。

＜実施形態３＞
実施形態３は、実施形態２に対して、電力制限処理が異なる。
実施形態３は、太陽光発電パネル１１及び充放電器１００の合計電力Ｐ１＋Ｐ３が電力閾値２０[ｋＷ]を超えており、かつ、定置バッテリ１５が充電できない場合、充放電器１００の出力（放電）を停止する。

充放電器１００の出力停止により、受電点電力Ｐ４を下げ、電力閾値２０[ｋＷ]以下に、制限することが出来る。

図７の例では、太陽光発電パネル１１の出力電力Ｐ１は２０[kW]、充放電器１００の放電電力は１０[kW]である。受電点電力Ｐ４は３０[kW]で、電力閾値２０[kW]を１０[kW]超過している。

充放電器１００の出力（放電）を停止することで、受電点電力Ｐ４は、３０[kW]から２０[kW]に低下し、電力閾値２０[kW]以下に制限される。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

（１）実施形態１～３では、充放電器１００を利用して自動車２００の搭載バッテリ２３０を充放電した。自動車２００に限らず、ハイブリッド車や電動バイクの搭載バッテリを充電してもよい。バッテリ（蓄電池）を搭載したコンテナをけん引する車両など、充電可能な電源を搭載した移動体であれば、広く適用することが出来る。

（２）上記実施形態１～３では、定置電源１０は、太陽光発電パネル１１と定置バッテリ１５であった。太陽光発電パネル１１は、再生可能エネルギーを利用した発電方式の発電機であれば、風力発電機など太陽光発電パネル１１以外の発電機でもよい。定置バッテリ１５は、二次電池に限らず、キャパシタでもよい。定置バッテリ１５は複数でもよい。定置バッテリ１５は、複数並列接続された電池群が一括制御されたものでもよい。

（３）出力優先度は、実施形態１の開示に限定されず、以下でもよい。
太陽光発電パネル１１＞定置バッテリ１５＞充放電器１００
出力優先度を上記にすることで、自動車２００の搭載バッテリ２３０を温存できるので、災害時において、電力の足りない地域に電力を配分する運用を行い易い、という効果がある。また、出力優先度は、上記例に限らず、使用者が任意で設定しても良い。

（４）上記実施形態では、受電点電力を電力閾値と比較し、電力閾値を超えている場合、受電点電力Ｐ４を制限した。受電点電力制御は、受電点電流制御に置き換えることが出来る。つまり、受電点電流を電流閾値と比較し、電流閾値を超えている場合、受電点電流を制限してもよい。電流閾値は、例えば、受電点Ｄにおける電流の上限値であり、連系スイッチ６３や連系線Ｌ０の定格電流や許容電流などでもよい。

（５）上記実施形態では、電力閾値＝受電点Ｄにおける電力の上限値とし、受電点電力Ｐ４が電力の上限値を超えた場合に、電力制限処理を行った。電力閾値を、電力の上限値よりも低い数値とし、電力の上限値よりも低い数値で、電力制限処理を行ってもよい。このようにすることで、受電点電力Ｐ４が電力の上限値を超えないように、受電点電力Ｐ４を制御することが可能となる。受電点電流を制御する場合も同様である。

（６）上記実施形態では、電力制限処理を、逆潮流時に実行したが、順潮流時に実行してもよい。例えば、順潮流時において、受電点電力Ｐ４が電力閾値を超えている場合、充放電器の充電を制限又は停止する、或いは定置バッテリの充電を制限又は停止することにより、受電点電力Ｐ４を制限してもよい。受電点電流を制御する場合も同様である。

１ 電力系統
３ 系統電源
１０ 定置電源
１１ 太陽光発電パネル
１５ 定置バッテリ
２０ パワーコンディショナ
３０ インバータ回路（本発明の「電力変換装置」の一例）
５０ 制御装置
１００ 充放電器
２００ 自動車（本発明の「車両」の一例）
２３０ 搭載バッテリ

Claims (7)

1. 連系線を介して電力系統と連系する電力システムであって、
   定置電源の電力を変換する電力変換装置と、
   車両用の充放電器と、
   制御装置と、を含み、
   前記定置電源は発電機と蓄電装置とを含み、
   前記充放電器は、分岐線を介して、電力系統に対して電力変換装置と並列に接続され、
   前記制御装置は、前記電力システムの受電点電力が電力閾値を超過している場合又は受電点電流が電流閾値を超過している場合、前記受電点電力を制限する電力制限処理又は前記受電点電流を制限する電流制限処理を実行する、電力システム。
2. 請求項１に記載の電力システムであって、
   前記制御装置は、前記電力制限処理又は前記電流制限処理において、前記発電機、前記蓄電装置及び前記充放電器を所定の優先度に従って出力し、優先度の低い機器の出力を制限する、電力システム。
3. 請求項２に記載の電力システムであって、
   前記発電機は、再生可能エネルギーを利用した発電方式の発電機であり、
   前記制御装置は、前記電力制限処理又は前記電流制限処理において、再生可能エネルギーを利用した発電方式の発電機を、前記蓄電装置及び前記充放電器に比べ優先的に出力する、電力システム。
4. 請求項２又は請求項３に記載の電力システムであって、
   前記制御装置は、前記電力制限処理又は前記電流制限処理おいて、前記蓄電装置の出力を、前記発電機及び前記充放電器に比べ優先的に制限する、電力システム。
5. 請求項２に記載の電力システムであって、
   前記制御装置は、前記電力制限処理又は前記電流制限処理おいて、前記充放電器の出力を、前記発電機及び前記蓄電装置に比べ優先的に制限する、電力システム。
6. 請求項１に記載の電力システムであって、
   前記制御装置は、
   前記発電機及び前記充放電器の合計電力が電力閾値以上の場合、前記電力制限処理において、前記発電機の出力の一部で前記蓄電装置を充電する、又は、
   前記発電機及び前記充放電器の合計電流が電流閾値以上の場合、前記電流制限処理において、前記発電機の出力の一部で前記蓄電装置を充電する、電力システム。
7. 連系線を介して電力系統と連系する電力システムの制御方法であって、
   前記電力システムの受電点電力が電力閾値を超過している場合又は受電点電流が電流閾値を超過している場合、前記受電点電力を制限する電力制限処理又は前記受電点電流を制限する電流制限処理を実行する、電力システムの制御方法。

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