JP3687464B2 - 太陽光発電装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池及び蓄電池を直流電源として備え、連系運転，自立運転の機能を有する太陽光発電装置に関し、詳しくはその蓄電池の充電に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、連系運転及び自立運転の機能を有する太陽光発電装置は、直流電源として、太陽電池及び蓄電池を備える。
【０００３】
そして、系統正常時は太陽電池及び蓄電池の直流電力を静止型の電力変換装置（双方向コンバータ）に給電し、この装置の連系運転の電流制御の逆変換により、前記直流電力を系統電源に同期した交流電力に変換し、この電力を系統負荷に給電して分散型電源を形成する。
【０００４】
また、災害等による系統停電時は電力電源装置を電力系統から解列し、電力変換装置の自立運転の定電圧制御の逆変換により、太陽電池及び蓄電池の直流電力を系統電源の代わりの交流電力に変換し、この交流電力を非常負荷等に給電する。
【０００５】
ところで、夜間は太陽電池の出力が消失し、蓄電池の電力だけでは連系運転を維持することが困難になることから、連系運転を停止する。
【０００６】
そして、自立運転によって放電した蓄電池を充電するため、系統正常時、夜間になると、太陽電池の発電停止またはタイマ制御により、電力変換装置を充電運転に制御し、その順変換により、系統電源に基づく充電用の直流電力を形成し、この直流電力により蓄電池を充電してつぎの自立運転に備える。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来装置の場合、太陽電池の出力が大きい昼間は連系運転を優先し、充電運転による蓄電池の充電を、太陽電池の発電停止やタイマ制御に基づき、夜間にのみ行うため、つぎのような問題点がある。
【０００８】
すなわち、昼間に系統停電が発生して自立運転に切換わると、この自立運転中は、太陽電池の出力では不足する電力が蓄電池によって補われる。
【０００９】
そして、この自立運転によって、放電した蓄電池は、夜間になるまで充電されない。
【００１０】
そのため系統復旧後、蓄電池が充電されるまでの間に再び系統停電が発生すると、自立運転に切換わっても短時間に給電の不足を招来し、自立運転可能な時間が短くなり、場合によっては、自立運転が行えない事態も生じる。
【００１１】
また、夜間の蓄電池の充電に長時間を要し、充電を完了して自立運転可能な状態になるまでに時間がかかる。
【００１２】
そして、自立運転に備えるため、蓄電池は極力満充電状態に保持することが望ましい。
【００１３】
本発明は、昼間は連系運転を優先して放電した蓄電池を昼夜の別なくすみやかに充電し、かつ、蓄電池を極力満充電状態に保ってつぎの自立運転に備えるようにすることを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、本発明の太陽光発電装置においては、直流電源を形成する太陽電池及び蓄電池と、
連系運転，自立運転により太陽電池及び蓄電池の直流電力を交流電力に逆変換して負荷給電し，充電運転により電力系統の交流電力を充電用の直流電力に順変換して蓄電池に供給する静止型の電力変換装置と、
この電力変換装置の運転を制御する制御装置とを備え、
この制御装置に、
太陽電池の電圧の大小から昼間と夜間とを判別する昼夜判別手段と、
蓄電池の電圧を監視する充放電監視手段と、
昼夜判別手段の判別と充放電監視手段の監視とに基づき，系統正常時の昼間は前記蓄電池の電圧が過放電電圧近傍に設定した放電限界電圧に低下する毎に前記蓄電池の電圧が設定した満充電電圧に上昇するまで電力変換装置を充電運転に制御し，系統正常時の夜間は蓄電池の電圧が放電限界電圧より高い充電状態の下限電圧に低下する毎に蓄電池の電圧が満充電電圧に上昇するまで電力変換装置を充電運転に制御する充電制御手段とを設ける。
【００１５】
したがって、系統正常時の昼間は連系運転が優先され、自立運転によって蓄電池が放電限界電圧以下に放電したときのみ、系統復帰後、充電運転によってすみやかに蓄電池が満充電状態に充電される。
【００１６】
また、系統正常時の夜間は蓄電池が自然放電等で充電維持状態の下限電圧に低下すると、充電運転が行われて蓄電池が確実に満充電状態に保たれる。
【００１７】
そのため、昼間は連系運転を優先しつつ放電した蓄電池を昼夜の別なくすみやかに充電し、しかも、夜間の充電により蓄電池を極力満充電状態に保ってつぎの自立運転に備えることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の１形態につき、図１〜図５を参照して説明する。
図１は回路構成を示し、分散設置した複数のＡＣアレイ部１ａ，１ｂ，…，１ｎは、直流電源として太陽電池２及び蓄電池３を備え、太陽電池２の直流出力を逆流防止ダイオード４を介して双方向インバータからなる静止型の電力変換装置５に供給し、蓄電池３の直流出力を充放電路切換回路６の逆流防止ダイオード６ａを介して電力変換装置５に供給する。
【００１９】
このとき、太陽電池２の出力電圧は２０Ｖ前後であり、蓄電池３の出力電圧が電力変換装置５の入力定格に応じて、例えば２００Ｖ程度であれば、電力変換装置５において、太陽電池２の出力が昇圧されて蓄電池３の出力に並列合成される。
【００２０】
また、太陽電池２，蓄電池３の電圧を直流電圧検出器７，８により検出し、その検出出力を制御装置９に供給する。
【００２１】
さらに、制御装置９は通信線１０を介して系統連系保護装置１１の主制御装置１２に接続され、電力系統１３の系統電源１４の停電等の系統異常が発生すると、計器用変圧器１５の２次側に設けられた保護装置１１の系統連系保護リレー１６の接点信号に基づき、主制御装置１２から通信線１０を介して各ＡＣアレイ部１ａ〜１ｎの制御装置９に系統異常が通知される。
【００２２】
そして、制御装置９はマイクロコンピュータのソフトウェア処理により、つぎの各手段を備える。
（ａ）直流電圧検出器７の検出出力に基づき、太陽電池２の電圧の大小から昼間と夜間とを判別する昼夜判別手段
（ｂ）直流電圧検出器８の検出出力に基づき、蓄電池３の電圧を監視する充放電監視手段
（ｃ）昼夜判別手段の判別と充放電監視手段の監視とに基づき，系統異常の通知がない系統正常時の昼間は蓄電池３の電圧が過放電電圧近傍に設定した放電限界電圧に低下する毎に蓄電池３の電圧が設定した満充電電圧に上昇するまで電力変換装置５を充電運転に制御し，系統正常時の夜間は蓄電池３の電圧が放電限界電圧より高い充電状態の下限電圧に低下する毎に蓄電池３の電圧が満充電電圧に上昇するまで電力変換装置５を充電運転に制御する充電制御手段
【００２３】
そして、これらの手段に基づき、制御装置９は図２のフローチャートに示すように動作して電力変換装置５を連系運転、自立運転、充電運転に制御する。
【００２４】
つぎに、制御装置９の制御について説明する。
まず、図２のステップＳ₁ で電力変換装置５の運転モードの設定を判別し、連系運転モードの設定時はステップＳ₂に移行して系統正常か否かを判別する。
【００２５】
そして、系統正常で連系運転モードが設定されていると、ステップＳ₃ に移行して太陽電池２の電圧の大小から昼間と夜間とを判別する。
【００２６】
ところで、太陽電池２の昼間の発電電圧が２０Ｖ以上あり、夜間の電圧が１０Ｖ以下になる場合、電力変換装置５が連系運転と自立運転とのハンチング運転にならないようにするため、ステップＳ₂ の判定においては、太陽電池２の電圧の変化傾向の監視に基づき、図３に示すように、太陽電池２の電圧が上昇するときは、２０Ｖをしきい値とし、２０Ｖに上昇したときに破線の夜間の判定から実線の昼間の判定に変え、太陽電池２の電圧が低下するときは、１０Ｖをしきい値とし、１０Ｖ以下に低下したときに昼間の判定から夜間の判定に変える。
【００２７】
そして、連系運転が行われる系統正常時の昼間は、昼間の判別に基づき、ステップＳ₄ に移行し、蓄電池３の電圧が過放電電圧近傍の例えば１８０Ｖに設定した図４の（ａ）の放電限界電圧Ｖ₁以下か否かを判別する。
【００２８】
このとき、蓄電池３が充電状態に保たれてその電圧がＶ₁ より高ければ、ステップＳ₄からステップＳ₅を介してステップＳ₆ に移行し、連系運転指令を発生する。
【００２９】
そして、この連系運転指令に基づき、電力変換装置５を系統電源１４に同期して連系運転し、太陽電池２，蓄電池３の直流出力を、電力変換装置５の電流制御の逆変換により、系統電源１４に同期した交流電力に変換し、この交流電力を電力系統１４の負荷に供給して分散型電源を形成する。
【００３０】
この連系運転中に災害等で系統停電になると、ステップＳ₂からステップＳ₇に移動して連系運転を停止する。
【００３１】
その後、自動又は手動で自立運転モードが設定されると、ステップＳ₁ からステップＳ₈ に移行して自立運転指令を発生し、この指令に基づき、電力変換装置５を電力系統１３から解列して自立運転し、太陽電池２，蓄電池３の直流出力を、定電圧制御された系統周波数の交流電力に逆変換して電力系統１３から解列された非常負荷（図示せず）等に給電する。
【００３２】
このとき、各ＡＣアレイ部１ａ〜１ｎ間の同期をとるため、例えば主制御装置１２から各ＡＣアレイ部１ａ〜１ｎの制御装置９に、同期制御のタイミング信号が供給され、このタイミング信号に基づき、各ＡＣアレイ部１ａ〜１ｎの電力変換装置５が同期して自立運転される。
【００３３】
そして、系統電源１４が復帰すると、ステップＳ₉ からステップＳ₁₀に移動し、自立運転が停止される。
【００３４】
その後、連系運転モードに設定され、このとき、昼間であれば、ステップＳ₁ ，Ｓ₂，Ｓ₃，Ｓ₄の処理が順に実行される。
【００３５】
そして、直前の自立運転により蓄電池３が放電し、その電圧が放電限界電圧Ｖ₁以下に低下していると、ステップＳ₄からステップＳ₁₁に移行して充電運転指令を発生する。
【００３６】
この充電運転指令に基づき、制御装置９は電力変換装置５に充電運転を指令するとともに充放電路切換回路６の充電路スイッチ６ｂを閉成する。
【００３７】
そして、電力変換装置５の順変換により、系統電源１４から充電用の直流電力を形成し、この直流電力をスイッチ６ｂを介して蓄電池３に供給し、この蓄電池３を充電する。
【００３８】
この充電により蓄電池３が満充電状態に充電され、その電圧が満充電電圧の上限の例えば２３０Ｖに設定した図４の（ａ）の満充電電圧Ｖ₂に上昇すると、ステップＳ₁₂からステップＳ₁₃に移行して充電運転を終了する。
【００３９】
そして、ステップＳ₁ 処理に戻り、このとき、連系運転モードに設定されていると、ステップＳ₂，Ｓ₃，Ｓ₄，Ｓ₅，Ｓ₆ の制御により、連系運転が指令されて電力変換装置５が再び連系運転される。
【００４０】
したがって、系統正常時の昼間は、蓄電池３の電圧が放電限界電圧Ｖ₁ に低下する毎に、図４の（ｂ）に示すように、電力変換装置５が連系運転から充電運転に切換わり、蓄電池３が満充電状態に充電される。
【００４１】
このとき、太陽電池２の発電電力が大きく、この発電電力によっても蓄電池３が充電され、蓄電池３の充電が短時間で終了する。
【００４２】
そして、蓄電池３が放電限界電圧Ｖ₁ に低下するまでは充電が行われないため、系統正常時の昼間には、連系運転を極力妨げないようにして自立運転で放電した蓄電池の充電がすみやかに行われる。
【００４３】
つぎに、系統正常時の夜間には、太陽電池２が発電を停止してその出力が消失するため、連系運転は行われず、蓄電池３を充電するしきい値の電圧が、昼間の放電限界電圧Ｖ₁より高い図５の（ａ）の充電状態の下限電圧Ｖ₃に変更され、この電圧Ｖ₃は例えば２２５Ｖである。
【００４４】
そして、蓄電池３が一度満充電状態に充電されると、夜間は、この電圧が自然放電等でＶ₂からＶ₃に低下する毎に、ステップＳ₃ からステップＳ₁₄を介してステップＳ₁₁に移り、充電運転指令を発生して電力変換装置５を充電運転し、その後、ステップＳ₃ からステップＳ₁₄，Ｓ₁₅を介してステップＳ₁₂に移行する処理のくり返しにより、蓄電池３を満充電状態に充電する。
【００４５】
なお、図５の（ａ）の電圧Ｖ₂，Ｖ₃の幅Ｗ（＝Ｖ₂−Ｖ₃）が蓄電池３の充電維持幅である。
【００４６】
したがって、系統正常時の夜間は、蓄電池３の電圧が充電状態の下限電圧Ｖ₃ に低下する毎に、図５の（ｂ）に示すように、電力変換装置５が充電運転されて蓄電池３が満充電状態に充電され、常に蓄電池３の満充電状態でつぎの自立運転に備えることができる。
【００４７】
そのため、昼間は連系運転を優先しつつ放電した蓄電池３を昼夜の別なくすみやかに充電してつぎの自立運転に備えることができ、系統復帰後に再び系統停電が発生しても確実に自立運転によって非常負荷等の給電を行うことができる。
【００４８】
しかも、夜間は自然放電に対しても充電を行って蓄電池３を極力満充電状態に保つことができ、自立運転可能な時間を十分に長くすることができる。
【００４９】
そして、電圧Ｖ₁，Ｖ₂，Ｖ₃ は蓄電池３の特性等に応じて適当に設定してよいのは勿論である。
【００５０】
また、１個のＡＣアレイ部で形成された太陽光発電装置等にも同様に適用できるのは勿論であり、本発明は直流電源として太陽光電池の他に蓄電池を備え、この蓄電池を電力変換装置の順変換で充電する種々の太陽光発電装置に適用することができる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明は、以下に記載する効果を奏する。
制御装置９による電力変換装置５の運転制御により、系統正常時の昼間は連系運転が優先され、自立運転によって蓄電池３が放電限界電圧以下に放電したときのみ、系統復帰後、充電運転によって蓄電池３を満充電状態に充電することができる。
【００５２】
また、系統正常時の夜間は蓄電池３が自然放電等で充電維持状態の下限電圧に低下する毎に充電運転が行われ、蓄電池３を確実に満充電状態に保つことができる。
【００５３】
したがって、昼間は連系運転を優先しつつ放電した蓄電池３を昼夜の別なくすみやかに充電し、しかも、夜間の充電により蓄電池３を極力満充電状態に保ってつぎの自立運転に備えることができ、この種の太陽光発電装置の蓄電池３の充電性能を著しく向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の１形態のブロック結線図である。
【図２】図１の動作説明用のフローチャートである。
【図３】図１の昼間と夜間の判定の説明図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は昼間の蓄電池の電圧波形，充電期間の説明図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は夜間の蓄電池の電圧波形，充電期間の説明図である。
【符号の説明】
２ 太陽電池
３ 蓄電池
５ 電力変換装置
９ 制御装置
１３ 電力系統
１４ 系統電源

Claims (1)

1. 系統正常時の連系運転により分散型電源を形成し、系統停電時は電力系統から解列されて自立運転される太陽光発電装置において、
   直流電源を形成する太陽電池及び蓄電池と、
   連系運転，自立運転により前記太陽電池及び前記蓄電池の直流電力を交流電力に逆変換して負荷給電し，充電運転により電力系統の交流電力を充電用の直流電力に順変換して前記蓄電池に供給する静止型の電力変換装置と、
   該電力変換装置の運転を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置に、
   前記太陽電池の電圧の大小から昼間と夜間とを判別する昼夜判別手段と、
   前記蓄電池の電圧を監視する充放電監視手段と、
   前記昼夜判別手段の判別と前記充放電監視手段の監視とに基づき，系統正常時の昼間は前記蓄電池の電圧が過放電電圧近傍に設定した放電限界電圧に低下する毎に前記蓄電池の電圧が設定した満充電電圧に上昇するまで前記電力変換装置を充電運転に制御し，系統正常時の夜間は前記蓄電池の電圧が前記放電限界電圧より高い充電状態の下限電圧に低下する毎に前記蓄電池の電圧が前記満充電電圧に上昇するまで前記電力変換装置を充電運転に制御する充電制御手段とを設けた
   ことを特徴とする太陽光発電装置。

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