JP3622343B2 - パワーコンディショナ - Google Patents

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  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
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  • Photovoltaic Devices (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽光発電システム等の分散型電源システムに好適なパワーコンディショナに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、例えば太陽光発電による分散型電源と商用電源(系統電源)とを連系し、太陽光発電によって家庭内の機器(負荷)に電力を供給して余った電力を系統に逆潮流し、太陽光発電だけでは電力が賄えない場合は、その電力を系統側から供給する分散型電源システムが開発されている。
【0003】
このようなシステムには、系統電源が異常状態となった場合、例えば、停電した場合には、系統電源との連系を断って太陽電池からの電力を、系統電源とは異なる自立運転用の出力端子(コンセント)から供給する、いわゆる自立運転機能を備えたものがあるが、このような自立運転は、太陽電池が発電している場合に限られ、したがって、夜間には使用できず、また、照度の変化によって発電電力が大きく変化して電力が安定しないといった問題点がある。
【0004】
そこで、電力を負荷に安定的に供給するために、図5に示されるように、太陽電池と蓄電池とを備える自立運転機能を有するシステムが提案されている。
【0005】
同図において、1は太陽電池、2はパワーコンディショナ、3は蓄電池システム、4は系統電源、5は家庭内機器などの負荷、6〜8は第1〜第3ブレーカであり、パワーコンディショナ2は、各部を制御するマイクロコンピュータ9と、逆流防止用ダイオード10と、直流電圧を昇圧する昇圧回路11と、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路12とを備えており、蓄電池システム3は、充電コントローラ13、第1,第2リレー14,15、放電用ダイオード16および複数の蓄電池17とを備えている。
【0006】
このような太陽光発電システムにおいては、系統電源4と連系した連系運転時には、各ブレーカ6〜8は、閉成されており、蓄電池システム3の第1,第2リレー14,15は、開成されている。
【0007】
この状態においては、太陽電池1からの直流電圧は、パワーコンディショナ2の昇圧回路11で昇圧され、インバータ回路12によって交流電力に変換されてその交流電力が第2ブレーカ7を介して負荷5に供給され、余った電力が系統に逆潮流される一方、パワーコンディショナ2からの交流電力で賄えない場合には、第3ブレーカ8を介して系統電源4から電力が供給される。
【0008】
ところで、蓄電池17の電力を、系統側に逆潮流することは禁止されているために、連系運転時には、太陽電池1と蓄電池システム3との間の第1,第2リレー1415は、上述のように開成されており、したがって、連系運転時には、太陽電池1から蓄電池17に充電することはできず、このため、系統電源4から別系統の充電ライン25を介して蓄電池17に充電している。
【0009】
このようなシステムにおいて、系統電源4が異常状態となった場合、例えば、停電した場合には、第2ブレーカ7を手動で開成して系統電源4と切り離し、さらに、パワーコンディショナ2の図示しないスイッチを自立運転へ切り換え操作し、これによって、マイクロコンピュータ9は、第1リレー14を閉成するとともに、第2リレー15の開閉を制御して自立運転とする。この自立運転では、太陽電池1あるいは蓄電池システム3からの直流電圧が、パワーコンディショナ2の昇圧回路11で昇圧され、インバータ回路12によって交流電力に変換されてその交流電力が、図示しない自立運転用の出力端子(コンセント)に供給され、この出力端子に、負荷が接続される。
【0010】
この自立運転においては、太陽電池が発電していない夜間においても、蓄電池システム3から電力を供給することができ、また、照度変化によって太陽電池1の出力電力が変動しても蓄電池システム3から安定して電力を供給できるものである。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
従来のシステムでは、パワーコンディショナ2の出力端の電圧および電流をフィードバックして力率1の制御を行うとともに、高調波電流の抑制制御を行っているが、負荷5によって力率が低下したり、負荷5から高調波電流が出力されたりすると、系統側では、力率1とはならず、また、系統側が高調波電流による影響を受けるという難点がある。
【0012】
また、従来のシステムでは、系統電源4が異常状態となった場合には、使用者が、それを判断して第2ブレーカ7を手動で開成して系統電源4と切り離し、さらに、パワーコンディショナ2のスイッチを自立運転へ切り換え操作する一方、自立運転用の出力端子(コンセント)に負荷を接続しなければならず、一旦停電状態となることは避けられず、また、操作が面倒であるといった難点がある。
【0013】
本発明は、上述の点に鑑みて為されたものであって、負荷による力率の低下や高調波による系統側への影響を可及的に低減し、また、系統電源の異常時に自動的に自立運転への切り換えができるようにすることを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上述の目的を達成するために、次のように構成している。
【0018】
本発明のパワーコンディショナは、太陽電池等の発電源からの直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するパワーコンディショナであって、前記負荷よりも系統電源側の出力に基づいて、系統電圧と系統電流との位相差を演算することに加え、電流位相を演算することにより力率制御を行なうとともに、系統電圧の同期クロックから基準電流を演算し、この基準電流と実電流との誤差を演算することにより高調波抑制制御を行なうものである。
【0019】
また、本発明のパワーコンディショナは、系統電源の異常を検出する検出手段を備え、前記検出手段の出力に基づいて、前記負荷と前記系統電源との間の開閉手段の開閉を自動制御するものである。
【0023】
本発明のパワーコンディショナによれば、前記負荷よりも系統電源側の出力に基づいて、系統電圧と系統電流との位相差を演算することに加え、電流位相を演算することにより力率制御を行なうとともに、系統電圧の同期クロックから基準電流を演算し、この基準電流と実電流との誤差を演算することにより高調波抑制制御を行なうので、力率を低下させたり、高調波電流を出力するような負荷があったとしても、系統側に、その影響が及ばないようにすることができる。
【0024】
また、本発明のパワーコンディショナによれば、系統電源の異常を検出する検出手段を備え、検出手段の出力に基づいて、負荷と系統電源との間の開閉手段の開閉を自動制御するので、系統電源の異常時には、前記開閉手段の開閉を制御して自立運転に自動的に切り換えることができる一方、系統電源が正常に復帰した時には、前記開閉手段の開閉を制御して連系運転に自動的に切り換えることができる。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、図面によって本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【0026】
(実施の形態1)
図1は、本発明の一つの実施の形態に係る太陽光発電システムの概略構成図であり、図5の従来例に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【0027】
同図において、1は太陽電池、2はパワーコンディショナ、3は蓄電池システム、4は系統電源、5は家庭内機器などの負荷、6〜8は第1〜第3ブレーカであり、パワーコンディショナ2は、各部を制御するマイクロコンピュータ9と、逆流防止用ダイオード10と、直流電圧を昇圧する昇圧回路11と、この昇圧回路11からの直流電力を交流電力に変換するインバータ回路12とを備えており、蓄電池システム3は、蓄電池17の充電を制御する充電コントローラ13、第1,第2リレー14,15、放電用ダイオード16および複数の蓄電池17とを備えている。
【0028】
この実施の形態の太陽光発電システムでは、負荷5による力率の低下や高調波電流による系統側への影響を可及的に低減するために、次のように構成している。
【0029】
すなわち、この実施の形態では、連系運転時には、負荷5よりも系統電源4側の系統電圧および系統電流を、計器用変圧器(PT)20および変流器(CT)21をそれぞれ介してパワーコンディショナ2のマイクロコンピュータ9にデジタルデータとして取り込み、マイクロコンピュータ9は、従来と同様に後述のようにして力率1の制御および高調波電流抑制制御を行うものである。
【0030】
図2は、この実施の形態における力率制御および高調波抑制制御の動作説明に供するフローチャートである。
【0031】
先ず、系統電圧および系統電流をデジタルデータに変換して取り込み(ステップn1)、系統電圧と系統電流との位相差を演算し(ステップn2)、力率を改善するように、電流位相を演算する(ステップn3)。一方、系統電圧の同期クロックから基準電流を演算し(ステップn4)、この基準電流と実電流との誤差を、電流の歪(高調波歪)をキャンセルするように演算し(ステップn5)、さらに電流レベルを演算する(ステップn6)。
【0032】
次に、ステップn3およびステップn6において、それぞれ演算した電流位相および電流レベル並びに実電流レベルに基づいて、電流値指令値を演算し(ステップn7)、量子化し(ステップn8)、さらに、LCフィルタで平滑化して(ステップn9)正弦波電流を出力するものである(ステップn10)。
【0033】
従来では、負荷5よりもパワーコンディショナ2側であるパワーコンディショナ2の出力端の電圧および電流をフィードバックして力率制御および高調波抑制制御を行っていたのに対して、この実施の形態では、以上のようにして負荷5よりも系統電源4側の系統電圧および系統電流をフィードバックして力率制御および高調波抑制制御を行っているので、力率を低下させたり、高調波を出力するような負荷5があったとしても、系統側に、その影響を及ぼすことがない。
【0034】
なお、その他の動作は、従来例と同様であるので、その説明は、省略する。
【0036】
また、本発明の他の実施の形態として、蓄電池システムのない太陽光発電システムに適用してもよい。
【0037】
(実施の形態2)
図3は、本発明の他の実施の形態に係る太陽光発電システムの概略構成図であり、上述の実施の形態1に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【0038】
同図において、1は太陽電池、2は本発明に係るパワーコンディショナ、3は蓄電池システム、4は系統電源、5は家庭内機器などの負荷、6〜8は第1〜第3ブレーカ、20は計器用変圧器(PT)、21は変流器(CT)であり、パワーコンディショナ2は、各部を制御するマイクロコンピュータ9と、直流電圧を昇圧する昇圧回路11と、この昇圧回路11からの直流電力を交流電力に変換するインバータ回路12とを備えており、蓄電池システム3は、蓄電池17の充電を制御する充電コントローラ13、開閉手段としてのリレー14、放電用ダイオード16および複数の蓄電池17とを備えるとともに、第2ブレーカ7と第3ブレーカ8との間に、マイクロコンピュータ9によって開閉が自動制御される開閉手段としての電磁接触器(MC)22を設けている。
【0039】
この実施の形態の太陽光発電システムは、上述の実施の形態1同様に、連系運転時には、負荷5よりも系統電源4側の系統電圧および系統電流を、計器用変圧器20および変流器21を介してフィードバックし、力率制御および高調波抑制制御を行うものであり、これによって、実施の形態1と同様に、力率を低下させたり、高調波を出力するような負荷5があったとしても、系統側に、その影響を及ぼすことがない。
【0040】
さらに、この実施の形態では、検出手段および制御手段としての機能を有するマイクロコンピュータ9は、系統電圧に基づいて系統電源4の異常を検出し、系統電源4の異常時には、電磁接触器22を開成するとともに、リレー14を閉成して自立運転に自動的に切り換える一方、系統電源4が正常に復帰したときには、電磁接触器22を閉成するとともに、リレー14を開成して連系運転に自動的に切り換えるようにしている。
【0041】
また、この実施の形態では、蓄電池17への充電経路を、蓄電池17から放電用ダイオード16およびリレー14を介する放電経路とは、別に備えており、この実施の形態では、蓄電池17への充電を、パワーコンディショナ2の昇圧回路11の出力側から充電コントローラ13を介する充電経路で行うように構成している。
【0042】
図4は、系統電源4の異常の有無による運転切り換えの動作説明に供するフローチャートである。
【0043】
先ず、連系運転において、系統電源4は正常であるか否かを、系統電圧が規定の範囲にあるか否かによって判断し(ステップn1)、正常でないと判断したときには、電磁接触器22を開成して系統電源4と切り離し(ステップn2)、パワーコンディショナ2を自立運転に変更して自立運転を開始し(ステップn3)、蓄電池システム付きであるか否かを判断し(ステップn4)、蓄電池システム付きであるときには、蓄電池システム3のリレー14を閉成する(ステップn5)。
【0044】
次に、この自立運転において、系統電源4は、正常に復帰したか否かを判断し(ステップn6)、正常に復帰したときには、一定期間の待機時間を確保するために、マイクロコンピュータ9に内蔵の投入遅延タイマをスタートし(ステップn7)、蓄電池システム付きであるか否かを判断し(ステップn8)、蓄電池システム付きであるときには、蓄電池システム3のリレー14を開成し(ステップn9)、投入遅延タイマによる一定の遅延時間が経過した後に、電磁接触器22を閉成し(ステップn10)、パワーコンディショナ2を連系運転に変更して連系運転を開始するものである(ステップn11)。
【0045】
このように系統電源4の異常を検出し、異常時には、電磁接触器22およびリレー14の開閉を自動的に制御して自立運転に瞬時に移行し、正常に復帰したときには、前記電磁接触器22およびリレー14の開閉を制御して連系運転に瞬時に移行するので、従来例のように、手動でブレーカおよびパワーコンディショナのスイッチを操作したり、負荷を自立運転用の出力端子に接続する必要がなく、瞬時に運転を切り換えることができ、従来のような運転切り換えによる停電を回避することができる。
【0046】
また、図5の従来例では、太陽電池1とパワーコンディショナ2との接続部から第1リレー14を介する同一の経路で蓄電池17の充電あるいは放電が行われたけれども、この実施の形態では、放電経路とは別に、パワーコンディショナ2の昇圧回路11の出力側から蓄電池17に充電するように構成しているので、蓄電池17に充電する際に、パワーコンディショナから逆充電されることがなく、したがって、パワーコンディショナ2の入力段には、従来例のような逆流防止用ダイオード10を設ける必要がなく、これによって、逆流防止用ダイオード10による電力ロスをなくすことができる。
【0047】
しかも、系統電源4と連系した連系運転時においても、同一の充電経路で蓄電池17に充電することができ、これによって、従来例のように、連系運転時に、系統電源から別系統で充電する必要がない。
【0048】
さらに、太陽電池1の出力電圧を昇圧する昇圧回路11の出力によって蓄電池17を充電するので、太陽電池1の電圧が、蓄電池17の電圧よりも低い場合にも充電することが可能となる。
【0049】
また、従来例では、放電用ダイオード16に並列に、充放電を制御するためのリレー15が必要であったけれども、この実施の形態では、充電経路と放電経路とを別にしたので、かかるリレー15を設ける必要がない。
【0050】
なお、充電を制御する充電コントローラ13は、満充電時には、過充電を防止し、また、蓄電池からの電力をパワーコンディショナに供給しているときには、充電を行わないように制御している。
【0051】
次に、以上の構成を有する太陽光発電システムの動作を説明する。
【0052】
先ず、系統電源4と連系した連系運転時には、各ブレーカ6〜8および電磁接触器22は、閉成されており、蓄電池システム3のリレー14は、開成されている。
【0053】
この状態においては、太陽電池1からの直流電力は、パワーコンディショナの昇圧回路11で昇圧され、インバータ回路12によって交流電力に変換されてその交流電力が第2ブレーカ7を介して負荷5に供給され、余った電力が、蓄電池17に蓄えられ、さらに系統に逆潮流される一方、パワーコンディショナ2からの交流電力で賄えない場合には、第3ブレーカ8および電磁接触器22を介して系統電源4から供給される。
【0054】
この連系運転時においては、上述の実施の形態1と同様に、力率制御および高調波抑制制御が行われる。
【0055】
次に、系統電源4が異常状態となった場合、例えば、停電した場合には、上述の図4のフローチャートに従って、電磁接触器22を自動的に開成するとともに、蓄電池システム3のリレー14を自動的に閉成して自立運転に切り換える。この自立運転では、太陽電池1あるいは蓄電池システム3からの直流電圧が、パワーコンディショナ2の昇圧回路11で昇圧され、インバータ回路12によって交流電力に変換されてその交流電力が第2ブレーカ7を介して負荷15に供給され、余った電力が、昇圧回路11を介して蓄電池17に充電される。
【0056】
なお、系統電源4が正常状態に復帰したときには、電磁接触器22を自動的に閉成するとともに、蓄電池システム3のリレー14を自動的に開成して連系運転に自動的に切り換え、力率制御および高調波抑制制御が行われる。
【0057】
図3の実施の形態では、系統電源4の異常を検出して瞬時に運転を切り換えるようにしたけれども、従来と同様に手動で運転を切り換える場合には、図3の仮想線で示されるように、第4ブレーカ23を設置し、該ブレーカ23を閉成してもよい。
【0058】
なお、系統電源の異常の検出は、上述の実施の形態に限らず、従来の系統保護機能に利用される方式を用いることができるものであり、例えば、OV(過電圧)、UV(不足電圧)、OF(過周波数)、UF(不足周波数)、能動方式あるいは受動方式による単独運転防止機能などを単独であるいは組み合わせて用いてもよい。
【0059】
上述の実施の形態では、太陽電池を発電源とした太陽光発電システムに適用して説明したけれども、本発明の他の実施の形態として、燃料電池等の他の発電源を用いた分散型電源システムに適用してもよいのは勿論である。
【0060】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、負荷よりも系統電源側の出力に基づいて、力率制御および高調波抑制制御を行うので、力率を低下させたり、高調波を出力するような負荷があったとしても、系統側に、その影響が及ばないようにすることができる。
【0061】
また、本発明によれば、系統電源の異常時には、開閉手段の開閉を制御して自立運転に自動的に切り換えることができる一方、系統電源が正常に復帰した時には、開閉手段の開閉を制御して連系運転に自動的に切り換えることができるので、従来のように手動で切り換え操作を行う必要がなく、また、瞬時の切り換えが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一つの実施の形態に係る太陽光発電システムの概略構成図である。
【図2】図1の実施の形態の動作説明に供するフローチャートである。
【図3】本発明の他の実施の形態に係る太陽光発電システムの概略構成図である。
【図4】図3の実施の形態の動作説明に供するフローチャートである。
【図5】従来例の太陽光発電システムの概略構成図である。
【符号の説明】
1 太陽電池
2,2,2 パワーコンディショナ
3,3 蓄電池システム
4 系統電源
5 負荷
9,9,9 マイクロコンピュータ
11 昇圧回路
14,15 リレー
22 電磁接触器

Claims (2)

  1. 太陽電池等の発電源からの直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するパワーコンディショナであって、
    前記負荷よりも系統電源側の出力に基づいて、系統電圧と系統電流との位相差を演算することに加え、電流位相を演算することにより力率制御を行なうとともに、系統電圧の同期クロックから基準電流を演算し、この基準電流と実電流との誤差を演算することにより高調波抑制制御を行なうことを特徴とするパワーコンディショナ。
  2. 系統電源の異常を検出する検出手段を備え、前記検出手段の出力に基づいて、前記負荷と前記系統電源との間の開閉手段の開閉を自動制御する請求項記載のパワーコンディショナ。
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