JP5541982B2 - 直流配電システム - Google Patents

Description

本発明は、負荷装置に直流電力を供給する直流配電系統と、直流配電系統に太陽光発電装置の発電電力を電圧変換して供給する第１電力変換装置と、直流配電系統に常時接続された電力貯蔵装置と直流配電系統との間で電圧変換して、少なくとも電力貯蔵装置側から直流配電系統側へ電力供給する第２電力変換装置と、を備えた直流配電システムに関する。

従来の直流配電システムには、例えば、図７に示すように、負荷ユニット１０６に電力を供給する直流配電系統ＥＳＤ、系統連系ユニット１０１、電力貯蔵ユニット１０２、フライホイールユニット１０３、風力発電ユニット１０４及び太陽光発電ユニット１０５を備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。

尚、系統連系ユニット１０１は、図示しないが、直流配電系統ＥＳＤの電力を電力変換して交流系統ＥＳＡに供給するＤＣ−ＡＣインバータと交流系統ＥＳＡの電力を電力変換して直流配電系統ＥＳＤに供給するＡＣ−ＤＣコンバータとを備えて構成されている。また、電力貯蔵ユニット１０２は、図示しないが、電力貯蔵装置と、電力貯蔵装置と直流配電系統ＥＳＤとの間で電圧変換して、一方側から他方側へ電力供給する電力変換装置とを備えて構成されている。同様に、フライホイールユニット１０３は、図示しないが、フライホイールと、フライホイールと直流配電系統ＥＳＤとの間で電圧変換して、一方側から他方側へ電力供給する電力変換装置とを備えて構成されている。風力発電ユニット１０４は、図示しないが、風力発電装置と、直流配電系統ＥＳＤに風力発電装置の発電電力を電圧変換して供給する電力変換装置を備えて構成されている。太陽光発電ユニット１０５は、図示しないが、太陽光発電装置と、直流配電系統ＥＳＤに太陽光発電装置の発電電力を電圧変換して供給する電力変換装置を備えて構成されている。

ここで、図８は、従来の太陽光発電システム１１０の構成を示している。尚、図７に示す直流配電システム１００における太陽光発電ユニット１０５の構成及び動作は、図８に示す太陽光発電システム１１０の太陽光発電装置１１１及びＤＣ−ＤＣコンバータ１１２の構成及び動作と同じである。

図８に示すように、従来の太陽光発電システム１１０は、太陽光発電装置１１１と、太陽光発電装置１１１の発電電力を電圧変換して直流配電系統ＥＳＤに供給するＤＣ−ＤＣコンバータ１１２と、直流配電系統ＥＳＤの電力を電圧変換して交流系統ＥＳＡに供給するＤＣ−ＡＣインバータ１１３とを備えて構成されている（例えば、特許文献２参照）。

太陽光発電装置１１１は、建物の屋根等に配設された複数枚の太陽電池モジュールを直列に接続して構成されており、太陽光を直接電気エネルギーに変換して直流電力を発生させる。ここで、図９は、日照量と、太陽光発電装置１１１の出力電圧と出力電流の関係例を示している。図９において、曲線ＣＶ１〜曲線ＣＶ３は夫々、日照量別のＩＶ特性例を示しており、曲線ＣＶ１は日照量が少ない場合を、曲線ＣＶ２は通常の日照量の場合を、曲線ＣＶ３は日照量が多い場合を夫々示している。

尚、太陽電池モジュールは、受光面の放射照度（日射照度）やモジュールの温度の変化に応じて、発生電流（短絡電流）が生じ、出力電圧が変化する。太陽電池モジュールは直列に接続されているが、例えば、日射照度が特に低い太陽電池モジュールがあると抵抗となって損失が発生するため、ダイオードを各太陽電池モジュールに並列に接続して損失の発生を抑制している。このため、日射照度が特に低い太陽電池モジュールがあると、日射照度が特に低い太陽電池モジュールに並列に接続されたダイオードに電流の大部分が流れ、太陽光発電装置１１１全体の出力電圧が低下する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１１２は、太陽光発電装置１１１の出力電圧を所定の直流電圧に変換する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１１２は、日射量が変動した場合であっても太陽光発電装置１１１が最大電力を出力するように最大電力追尾制御（ＭＰＰＴ制御）を行う。ＤＣ−ＤＣコンバータ１１２は、具体的には、太陽光発電装置１１１の出力電流Ｉｐｏと出力電圧Ｖｐｏを検出し、Ｉｐｏ×Ｖｐｏが最大となるように制御する。例えば、日照量が図９に示す曲線ＣＶ３の場合、出力電流Ｉｐｏ＝Ｉｐ、出力電圧Ｖｐｏ＝Ｖｐとなる点で動作する。

尚、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１２には、直流配電系統ＥＳＤの過電圧防止のために定電圧運転開始電圧Ｖｐｖ＿ｍａｘが設定されている。直流配電系統ＥＳＤの電圧Ｖｂｕｓが定電圧運転開始電圧Ｖｐｖ＿ｍａｘより小さい場合はＭＰＰＴ制御を行い、電圧Ｖｂｕｓが定電圧運転開始電圧Ｖｐｖ＿ｍａｘより大きくなった場合は、ＭＰＰＴ制御を停止し、電圧Ｖｂｕｓが定電圧運転開始電圧Ｖｐｖ＿ｍａｘを超えないように出力電圧値が一定の値となるように動作する定電圧動作に移行する。

ＤＣ−ＡＣインバータ１１３は、電力変換するスイッチング回路と、スイッチング回路を制御するＰＷＭ制御回路を備えて構成されており、出力電流を調整して、入力電圧と出力電圧を一定に保つように動作する。

特開２００３−３３９１１８号公報 特開平６−３０９０４７号公報

ところで、従来の太陽光発電システム１１０において、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１２は、ＤＣ−ＡＣインバータ１１３の入力電圧が通常太陽光発電装置１１１の発電電力よりも高いことから、昇圧動作を行っている。ＤＣ−ＤＣコンバータ１１２の昇圧動作には、動作可能な太陽光発電装置１１１の出力電圧の範囲（第１出力電圧範囲）がある。太陽光発電装置１１１の発電電力が第１出力電圧範囲の下限値より小さくなると、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１２は、太陽光発電装置１１１の出力電圧をＤＣ−ＡＣインバータ１１３の入力電圧まで昇圧できずに動作停止する。

太陽光発電システム１１０では、太陽光発電装置１１１が複数枚の太陽電池モジュールを直列に接続して構成されていることから、例えば、一部の太陽電池モジュールが時間帯によって樹木の影になる場合には、太陽光発電装置１１１の出力電圧は低下する。太陽光発電装置１１１の出力電圧が低下して第１出力電圧範囲の下限値より小さくなると、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１２が停止し、発電電力は直流配電系統ＥＳＤに供給されなくなる。即ち、上述した直流配電システム１００及び太陽光発電システム１１０では、一部の太陽電池モジュールが発電不足に陥った場合に、他の太陽電池モジュールの発電電力が十分であっても、有効に利用できないという問題があった。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、太陽光発電装置の発電電力をより有効に利用できる直流配電システムを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る直流配電システムは、負荷装置に直流電力を供給する直流配電系統と、前記直流配電系統に太陽光発電装置の発電電力を電圧変換して供給する第１電力変換装置と、前記直流配電系統に常時接続された電力貯蔵装置と前記直流配電系統との間で電圧変換して、少なくとも前記電力貯蔵装置側から前記直流配電系統側へ電力供給する第２電力変換装置と、を備えた直流配電システムであって、前記電力貯蔵装置に前記太陽光発電装置の発電電力を電圧変換して供給する第３電力変換装置を備えることを第１の特徴とする。

上記特徴の本発明に係る直流配電システムは、前記第１電力変換装置が動作可能な前記太陽光発電装置の出力電圧の第１出力電圧範囲の下限値が、前記第３電力変換装置が動作可能な前記太陽光発電装置の出力電圧の第２出力電圧範囲の下限値より高く、前記第３電力変換装置は、前記太陽光発電装置の出力電圧が前記第１出力電圧範囲内に設定された所定の第１閾値電圧以下になると動作を開始することを第２の特徴とする。

上記特徴の本発明に係る直流配電システムは、前記太陽光発電装置の出力電圧に応じて前記第３電力変換装置の運転開始及び運転停止の制御を行う第１動作制御部を備えることを第３の特徴とする。

上記何れかの特徴の本発明に係る直流配電システムは、前記第３電力変換装置は、前記第１電力変換装置が動作している場合であって、前記直流配電系統の電圧が所定の第２閾値電圧以上の場合に動作することを第４の特徴とする。

上記特徴の本発明に係る直流配電システムは、前記直流配電系統の電圧に応じて前記第３電力変換装置の運転開始及び運転停止の制御を行う第２動作制御部を備えることを第５の特徴とする。

上記何れかの特徴の本発明に係る直流配電システムは、交流系統と前記直流配電系統との間で電力変換して、一方側から他方側へ電力供給する第４電力変換装置を備え、前記第２電力変換装置が、前記直流配電系統側から前記電力貯蔵装置側へ電力供給可能に構成されていることを第６の特徴とする。

上記特徴の直流配電システムによれば、太陽光発電装置の発電電力を直接電力貯蔵装置に供給する第３電力変換装置を備えたので、電力貯蔵装置に発電電力を蓄電する際、直流配電系統を経由する従来の場合のように、第１電力変換装置及び第２電力変換装置の２つの電力変換装置を経由する必要がなくなり、第３電力変換装置の１つの電力変換装置を経由するのみで電力貯蔵装置に発電電力を供給でき、電力の損失を抑えることが可能になる。

更に、上記第２の特徴の直流配電システムによれば、第１電力変換装置が動作可能な太陽光発電装置の出力電圧の第１出力電圧範囲の下限値が、第３電力変換装置が動作可能な太陽光発電装置の出力電圧の第２出力電圧範囲の下限値より高く設定されているので、太陽光発電装置全体の発電電力が小さく第１電力変換装置が動作しない場合でも、第３電力変換装置が動作可能であれば、太陽光発電装置の発電電力を電力貯蔵装置側に供給することが可能になる。例えば、一部の太陽電池モジュールが発電不足に陥り、太陽光発電装置の出力電圧が第１出力電圧範囲の下限値を下回った場合でも、太陽光発電装置全体の出力電圧が第２出力電圧範囲の下限値より大きければ、他の太陽電池モジュールの発電電力を電力貯蔵装置側に供給することが可能になり、発電電力を有効利用できる。

また、上記第３の特徴の直流配電システムによれば、太陽光発電装置の発電電力が負荷装置の消費電力より大きい場合に、余った太陽光発電装置の発電電力を第３電力変換装置により直接電力貯蔵装置側に供給できる。これにより、電力貯蔵装置に蓄電する場合には、電力の損失を抑えることが可能になる。

本発明に係る直流配電システム及び周辺装置の概略構成例を示す概略ブロック図である。 本発明に係る直流配電システムの動作を説明する部分概略ブロック図である。 本発明に係る直流配電システムの動作を説明する部分概略ブロック図である。 本発明に係る直流配電システムの動作を説明する部分概略ブロック図である。 本発明に係る直流配電システムの動作を説明する部分概略ブロック図である。 本発明に係る直流配電システムの動作を説明する部分概略ブロック図である。 従来技術に係る直流配電システムの概略構成を示す部分概略ブロック図である。 従来技術に係る太陽光発電システムの概略構成を示す概略ブロック図である。 日照量別の太陽光発電装置の出力電圧と出力電流の関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る直流配電システム（以下、適宜「本発明システム」と称する）の実施形態を図面に基づいて説明する。

先ず、本発明システムの構成について、図１を基に説明する。ここで、図１は、本発明システム１及び周辺装置の概略構成例を示している。

図１に示すように、本発明システム１は、負荷装置４に直流電力を供給する直流配電系統ＥＳＤと、直流配電系統ＥＳＤに太陽光発電装置２の発電電力を電圧変換して供給する第１電力変換装置１１と、直流配電系統ＥＳＤに常時接続された電力貯蔵装置３と直流配電系統ＥＳＤとの間で電圧変換して、少なくとも電力貯蔵装置３側から直流配電系統ＥＳＤ側へ電力供給する第２電力変換装置１２と、電力貯蔵装置３に太陽光発電装置２の発電電力を電圧変換して供給する第３電力変換装置１３を備えて構成されている。更に、本実施形態の本発明システム１は、交流系統ＥＳＡと直流配電系統ＥＳＤとの間で交流・直流間の電力変換を行い、一方側から他方側へ電力供給する第４電力変換装置１４と、本発明システム１の動作設定を行う動作制御装置１０を備えて構成されている。

尚、本実施形態の本発明システム１では、交流系統ＥＳＡは商用交流電源（例えば、単相３線式２００［Ｖ］）に接続しており、第４電力変換装置１４は、交流系統ＥＳＡと系統連系して逆潮流を可能に構成されている。交流系統ＥＳＡに交流電力を逆潮流させて供給すると、本発明システム１の利用者と電力会社との間の契約により、電力量に応じて電力会社が買い取る構成になっている。

動作制御装置１０は、直流配電系統ＥＳＤの電圧Ｖｂｕｓ及び太陽光発電装置２の出力電圧Ｖｐｏの情報を取得する情報収集部１０ａと、第３電力変換装置１３の運転開始及び運転停止の制御を行う動作制御部１０ｂを備えて構成されている。本実施形態の情報収集部１０ａは、更に、負荷装置４に流れる電流の値、各電力変換装置に流れる電流の値、及び、電力貯蔵装置３の残量の情報等を取得するように構成されている。また、動作制御部１０ｂは、第３電力変換装置１３に対し、出力電圧の目標値Ｖｄｄ３を設定するように構成されている。

太陽光発電装置２は、本実施形態では、図８に示す従来技術における太陽光発電装置１１１の構成と同じ構成であり、複数枚の太陽電池モジュールを直列に接続し、各太陽電池モジュールにダイオードを並列に接続して構成され、図９に示すＩＶ特性を備えている。尚、本実施形態では、太陽光発電装置２が、複数枚の太陽電池モジュールを直列に接続して構成されている場合を想定しているが、これに限るものではない。例えば、複数枚の太陽電池モジュールを直列に接続した太陽電池ユニットが複数並列に接続される構成であっても良い。

第１電力変換装置１１は、本実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１で構成され、図８に示す従来技術におけるＤＣ−ＤＣコンバータ１１２の構成と同じ構成である。具体的には、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１は、直流配電系統ＥＳＤの電圧Ｖｂｕｓが過電圧防止のために設定された定電圧運転開始電圧Ｖｐｖ＿ｍａｘ（例えば、４００［Ｖ］）より小さい場合は、太陽光発電装置２が最大電力を出力するようにＭＰＰＴ制御を行い、電圧Ｖｂｕｓが定電圧運転開始電圧Ｖｐｖ＿ｍａｘより大きくなった場合は、ＭＰＰＴ制御を停止し、電圧Ｖｂｕｓが定電圧運転開始電圧Ｖｐｖ＿ｍａｘを超えないように出力電圧値が一定の値となるように動作する。

更に、本発明システム１では、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１及び後述するＤＣ−ＤＣコンバータ１３が並列動作することから、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１及びＤＣ−ＤＣコンバータ１３が協働してＭＰＰＴ制御できるように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１とＤＣ−ＤＣコンバータ１３の間で、各ＤＣ−ＤＣコンバータに流れる電流値等の情報を通信可能に構成されている。尚、ＭＰＰＴ制御を実現するための構成としては、これに限るものではなく、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１及びＤＣ−ＤＣコンバータ１３が太陽光発電装置２の出力電圧Ｖｐｏに加え出力電流を取得できる構成や、動作制御部１０ｂによりＤＣ−ＤＣコンバータ１１及びＤＣ−ＤＣコンバータ１３の動作を制御する構成にしても良い。

本実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１が動作可能な太陽光発電装置２の出力電圧Ｖｐｏの第１出力電圧範囲は、８０［Ｖ］〜３８０［Ｖ］に設定されている。

尚、本実施形態では、第１電力変換装置１１を１つのＤＣ−ＤＣコンバータ１１で構成する場合について説明したが、複数のＤＣ−ＤＣコンバータを並列接続して構成しても良いし、他の構成であっても良い。

蓄電池３は、本実施形態では、電力貯蔵装置３の一例であり、リチウムイオン電池で構成されている。尚、本実施形態ではリチウムイオン電池を例に説明するが、ナトリウム・硫黄電池等、他の電池であっても良い。蓄電池３は、後述する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２を介して直流配電系統ＥＳＤから供給される電力を充電し、充電した電力を双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２を介して直流配電系統ＥＳＤに放電するように構成されている。更に、蓄電池３は、第３電力変換装置１３を介して太陽光発電装置２から供給される電力を充電するように構成されている。

双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、本実施形態では、第２電力変換装置１２の一例であり、直流配電系統ＥＳＤの電圧に応じて、電力供給方向（充電または放電）、運転開始及び運転停止の制御を行う。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、充電動作時は、直流配電系統ＥＳＤからの電流を充電電流値Ｉｃｈの充電電流に変換する、或いは、直流配電系統ＥＳＤの電圧Ｖｂｕｓを充電電圧値Ｖｃｈの充電電圧に変換して、蓄電池３に電力を供給する。

より具体的には、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、充電動作時、蓄電池３の充電量が少なく、蓄電池３の電圧Ｖｂａｔが充電電圧値Ｖｃｈより低い場合は、直流配電系統ＥＳＤからの電流を充電電流値Ｉｃｈの充電電流に変換して蓄電池３を充電する。そして、充電量が増加して双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧（充電電圧）の値が充電電圧値Ｖｃｈに達すると、満充電状態になるまで充電電圧の値を充電電圧値Ｖｃｈに維持して充電を行う。満充電状態になり、蓄電池３の電圧Ｖｂａｔが充電電圧値Ｖｃｈになると、充電電流が０になり、充電が停止する。

更に、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、放電動作時、蓄電池３の電圧Ｖｂａｔを放電電圧値Ｖｄｃｈとなるように変換し、直流配電系統ＥＳＤへの電流が最大放電電流値Ｉｄｃｈ＿ｍａｘを超えないように変換する。これにより、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、直流配電系統ＥＳＤの電圧Ｖｂｕｓの値が放電電圧値Ｖｄｃｈより小さい場合は、蓄電池３の貯蔵電力を直流配電系統ＥＳＤに供給する。

尚、本実施形態では、第２電力変換装置１２が、１つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２で構成される場合を想定して説明したが、充電用コンバータと放電用コンバータの２つのコンバータを備える構成、複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが並列接続された構成等、他の構成であっても良い。

第３電力変換装置１３は、本実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３で構成されている。尚、本実施形態では、第３電力変換装置１３が１つのＤＣ−ＤＣコンバータ１３で構成される場合を想定して説明するが、複数のＤＣ−ＤＣコンバータが並列に接続される構成等、他の構成であっても良い。

第４電力変換装置１４は、直流配電系統ＥＳＤの直流電力を商用交流電源と同じ電圧・周波数の交流電力に電力変換して交流系統ＥＳＡに供給するＤＣ−ＡＣインバータ１４ａと、交流系統ＥＳＡの交流電力を直流電力に電力変換して直流配電系統ＥＳＤに供給するＡＣ−ＤＣコンバータ１０ｂで構成されており、直流配電系統ＥＳＤの電圧Ｖｂｕｓが一定の電圧値Ｖａｃ（例えば、３８０［Ｖ］）となるように、出力電流を制御する。本実施形態では、ＤＣ−ＡＣインバータ１４ａは、直流配電系統ＥＳＤに接続する商用交流電源と系統連系する系統連系インバータとして機能する。

具体的には、直流配電系統ＥＳＤの電圧Ｖｂｕｓが増加して、ＤＣ−ＡＣインバータ１４ａが運転を開始する直流配電系統ＥＳＤの電圧Ｖｂｕｓを規定する交流化開始電圧Ｖａｃ＿ｓより高くなると、ＤＣ−ＡＣインバータ１４ａが、直流電源系統の直流電力を商用交流電源と同じ電圧・周波数の交流電力に電力変換して交流系統ＥＳＡに逆潮流させる。更に、直流配電系統ＥＳＤの電圧Ｖｂｕｓが増加した場合は、電流量を増加させる。更に、直流配電系統ＥＳＤの電圧Ｖｂｕｓが低下して、ＡＣ−ＤＣコンバータ１４ｂが運転を開始する直流配電系統ＥＳＤの電圧Ｖｂｕｓを規定する直流化開始電圧Ｖｄｃ＿ｓより低くなると、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０ｂが、交流系統ＥＳＡの交流電力を直流電力に変換して直流配電系統ＥＳＤに供給する。尚、本実施形態のＡＣ−ＤＣコンバータ１０ｂは、供給電力を制限するため、最大直流化電流値Ｉａｄ＿ｍａｘが設定されており、出力電流値が最大直流化電流値Ｉａｄ＿ｍａｘになると、出力電圧値が電圧値Ｖａｃより低下する。

尚、本実施形態では、第４電力変換装置１４を、１つのＤＣ−ＡＣインバータ１４ａと１つのＡＣ−ＤＣコンバータ１０ｂで構成したが、これに限るものではなく、例えば、ＤＣ−ＡＣインバータ１４ａは、複数のＤＣ−ＡＣインバータを並列接続したものであっても良いし、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０ｂは、複数のＡＣ−ＤＣコンバータを並列接続したものであっても良い。更に、第４電力変換装置１４は、１つの双方向インバータで構成されていても良い。

負荷装置４は、本実施形態では、直流電力で動作する電気機器を想定している。例えば、テレビは、内部電源基板に、通常、高調波対策のための力率改善回路ＰＦＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）が設置されており、力率改善回路ＰＦＣの出力電圧は直流電圧であるので、力率改善回路ＰＦＣを備えるテレビでは、力率改善回路ＰＦＣの出力側と直流配電系統ＥＳＤを接続することが可能である。同様に、交流電力を直流電力に変換して利用する家電製品では、直流電圧を直接利用するように構成可能であり、直流配電系統ＥＳＤに接続できる。

次に、本発明システム１の動作について図２〜図４を基に説明する。

ここで、本実施形態では、太陽光発電装置２の発電電力が小さくＤＣ−ＤＣコンバータ１１が停止する場合（ＤＣ−ＤＣコンバータ１１が停止する場合）、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１が動作している場合であって、交流系統ＥＳＡへの電力供給が制限され、且つ、太陽光発電装置２の発電電力が負荷装置４の消費電力より大きい場合（ＤＣ−ＤＣコンバータ１１が動作している場合１）、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１が動作している場合であって、太陽光発電装置２の発電電力が負荷装置４の消費電力以下の場合、または、交流系統ＥＳＡへの電力供給が制限されていない場合（ＤＣ−ＤＣコンバータ１１が動作している場合２）の３つの場合に分けて説明する。

〈ＤＣ−ＤＣコンバータ１１が停止する場合〉
太陽光発電装置２の出力電圧Ｖｐｏが第１出力電圧範囲の下限値より小さくなり、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１が停止する場合について、図２及び図３を基に説明する。

本発明システム１では、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１が動作可能な太陽光発電装置２の出力電圧Ｖｐｏの第１出力電圧範囲（８０［Ｖ］〜３８０［Ｖ］）の下限値が、第３電力変換装置が動作可能な太陽光発電装置２の出力電圧Ｖｐｏの第２出力電圧範囲の下限値より高い場合を想定している。ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、太陽光発電装置２の出力電圧Ｖｐｏが第１出力電圧範囲内に設定された所定の第１閾値電圧Ｖｔｈ１以下になると動作を開始する。

具体的には、第２出力電圧範囲は、２０［Ｖ］〜３８０［Ｖ］に設定されている。また、第１閾値電圧Ｖｔｈ１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１が安定動作できる太陽光発電装置２の出力電圧Ｖｐｏの範囲を考慮して設定されており、本実施形態では、１００［Ｖ］に設定されている。

動作制御部１０ｂは、太陽光発電装置２の出力電圧Ｖｐｏに応じてＤＣ−ＤＣコンバータ１３の運転開始及び運転停止の制御を行う（第１動作制御部）。具体的には、動作制御部１０ｂは、太陽光発電装置２の出力電圧Ｖｐｏが低下して第１閾値電圧Ｖｔｈ１以下になると、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の運転を開始し、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の動作（停止、充電動作、放電動作）に応じて、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の出力電圧の目標値Ｖｄｄ３の設定を変更する。尚、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１は、太陽光発電装置２の出力電圧Ｖｐｏが第１出力電圧範囲の下限値以下になると、入力電圧が低下して所望の出力電圧を得られない或いは正常に動作しないため、動作を停止する。

具体的には、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２が停止している場合、動作制御部１０ｂは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３に対し、出力電圧の目標値Ｖｄｄ３を蓄電池３の電圧Ｖｂａｔより高い値に設定する。このように設定することにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１が動作停止している場合でも、太陽光発電装置２の発電電力を蓄電池３に充電することができる。

双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２が充電動作を行っている場合、動作制御部１０ｂは、図２に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３に対し、出力電圧の目標値Ｖｄｄ３を、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２に設定されている充電電圧の上限値Ｖｃｈ＿ｍａｘより大きい値に設定する。このように設定することにより、太陽光発電装置２の発電電力が、直流配電系統ＥＳＤからの電力より優先して蓄電池３に充電される。尚、蓄電池３の残量が非常に少なく、蓄電池３の電圧Ｖｂａｔが、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の出力電圧の目標値Ｖｄｄ３より小さくなる場合は、太陽光発電装置２の発電電力と共に、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２により直流配電系統ＥＳＤの電力が蓄電池３に供給される。

双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２が放電動作を行っている場合、動作制御部１０ｂは、図３に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３に対し、出力電圧の目標値Ｖｄｄ３を、蓄電池３の出力電圧Ｖｂａｔより大きい値に設定する。このように設定することにより、太陽光発電装置２の発電電力が蓄電池３の貯蔵電力より優先して直流配電系統ＥＳＤに供給される。尚、負荷装置４の消費電力が大きく、直流配電系統ＥＳＤの電圧が低下して蓄電池３の出力側の電圧が電圧Ｖｂａｔより低下する場合には、太陽光発電装置２の発電電力と共に、蓄電池３の電力も直流配電系統ＥＳＤに供給される。

このように構成することにより、本発明システム１では、一部の太陽電池モジュールが発電不足に陥って太陽光発電装置２の発電電力が低下しＤＣ−ＤＣコンバータ１１が停止した場合でも、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３により太陽光発電装置２の発電電力を有効に利用できる。

〈ＤＣ−ＤＣコンバータ１１が動作している場合１〉
ＤＣ−ＤＣコンバータ１１が動作している場合であって、交流系統ＥＳＡへの電力供給が制限され、且つ、太陽光発電装置２の発電電力が負荷装置４の消費電力より大きい場合について、図４を基に説明する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、図４に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１が動作している場合であって、直流配電系統ＥＳＤの電圧Ｖｂｕｓが所定の第２閾値電圧Ｖｔｈ２以上の場合に動作するように構成されている。ここで、本実施形態では、第２閾値電圧Ｖｔｈ２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１がＭＰＰＴ制御を停止する定電圧運転開始電圧Ｖｐｖ＿ｍａｘを考慮して、定電圧運転開始電圧Ｖｐｖ＿ｍａｘ以下の値に設定されている。

動作制御部１０ｂは、直流配電系統ＥＳＤの電圧に応じてＤＣ−ＤＣコンバータ１３の運転開始及び運転停止の制御を行う（第２動作制御部）。具体的には、動作制御部１０ｂは、直流配電系統ＥＳＤの電圧Ｖｂｕｓが第２閾値電圧Ｖｔｈ２以上になると、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の出力電圧の目標値Ｖｄｄ３を蓄電池３の電圧Ｖｂａｔより高い値に設定し、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の運転を開始する。

蓄電池３が満充電ではない場合は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３により、太陽光発電装置２の発電電力の一部が蓄電池３側に供給され、蓄電池３の充電動作が開始されるので、直流配電系統ＥＳＤへの電力供給が少なくなり、直流配電系統ＥＳＤの電圧Ｖｂｕｓの上昇を抑えることができるので、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１は、ＭＰＰＴ制御を維持することが可能になる。

蓄電池３が満充電の場合は、太陽光発電装置２の発電電力が全て直流配電系統ＥＳＤに供給されることになるので、直流配電系統の電圧Ｖｂｕｓは上昇する。直流配電系統ＥＳＤの電圧Ｖｂｕｓが定電圧運転開始電圧Ｖｐｖ＿ｍａｘを超えると、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１は、ＭＰＰＴ制御を停止する。

交流系統ＥＳＡへの電力供給が制限されている場合において、太陽光発電装置２の発電電力が負荷装置４の消費電力を上回り、直流配電系統ＥＳＤの電圧Ｖｂｕｓが過電圧防止のために設定された定電圧運転開始電圧Ｖｐｖ＿ｍａｘより上昇すると、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１は、従来の太陽光発電システム１００のＤＣ−ＤＣコンバータ１１２と同様に、ＭＰＰＴ制御を停止する。本発明システム１では、このような場合に、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３により、太陽光発電装置２の発電電力を蓄電池３側に供給するので、直流配電系統ＥＳＤの電圧Ｖｂｕｓの上昇を抑えることができ、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１がＭＰＰＴ制御を維持できるので、太陽光発電装置２の発電電力をより有効に利用できる。

〈ＤＣ−ＤＣコンバータ１１が動作している場合２〉
ＤＣ−ＤＣコンバータ１１が動作している場合であって、太陽光発電装置２の発電電力が負荷装置４の消費電力以下の場合、または、交流系統ＥＳＡへの電力供給が制限されていない場合、即ち、上述したＤＣ−ＤＣコンバータ１１が停止する場合及びＤＣ−ＤＣコンバータ１１が動作している場合１以外の場合について、図５及び図６を基に説明する。

動作制御部１０ｂは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２が放電動作を開始する直流配電系統ＥＳＤの電圧Ｖｂｕｓを規定する放電開始電圧Ｖｄｃｈ＿ｓ、第２閾値電圧Ｖｈｔ２、及び、ＡＣ−ＤＣコンバータ１４ｂの直流化開始電圧Ｖｄｃ＿ｓを、Ｖｔｈ２＞Ｖｄｃｈ＿ｓ＞Ｖｄｃ＿ｓとなるように設定する。また、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の放電電圧値Ｖｄｃｈを第２閾値電圧Ｖｔｈ２より小さい値に設定する。更に、動作制御部１０ｂは、ＤＣ−ＡＣインバータ１４ａの交流化開始電圧Ｖａｃ＿ｓを、Ｖｔｈ２＜Ｖａｃ＿ｓ＜Ｖｐｖ＿ｍａｘとなるように設定する。

以下、太陽光発電装置２の発電電力が負荷装置４の消費電力以下の場合と、負荷装置４の消費電力を上回る場合に分けて説明する。

先ず、太陽光発電装置２の発電電力が負荷装置４の消費電力以下の場合について、図５を基に説明する。

例えば、負荷装置４の消費電力が相当大きい場合等、直流配電系統ＥＳＤの電圧Ｖｂｕｓが低下して双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の放電開始電圧Ｖｄｃｈ＿ｓを下回ると、蓄電池３の残量が空でない場合は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２が放電動作を開始する。蓄電池３の残量が空の場合や負荷装置４の消費電力が相当大きく、直流配電系統ＥＳＤの電圧Ｖｂｕｓが更に低下して第４電力変換装置１４の直流化開始電圧Ｖｄｃ＿ｓの設定値を下回った場合は、第４電力変換装置１４のＡＣ−ＤＣコンバータ１４ｂが交流系統ＥＳＡの電力を直流配電系統ＥＳＤに供給開始する。本実施形態では、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の放電開始電圧Ｖｄｃｈ＿ｓの設定値を第４電力変換装置１４の直流化開始電圧Ｖｄｃ＿ｓの設定値より大きい値に設定したので、蓄電池３の貯蔵電力が交流系統ＥＳＡの電力より優先的に直流配電系統ＥＳＤに供給される。

尚、ここでは、太陽光発電装置２の発電電力が負荷装置４の消費電力以下の場合を想定しているので、結果として、直流配電系統ＥＳＤの電圧Ｖｂｕｓは第２閾値電圧Ｖｔｈ２以下で維持される。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１は、ＭＰＰＴ制御を維持できる。更に、ここでは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１が動作している場合、即ち、太陽光発電装置２の出力電圧Ｖｐｏが第１閾値電圧Ｖｔｈ１以上の場合を想定しているので、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は停止する。

次に、太陽光発電装置２の発電電力が負荷装置４の消費電力より大きい場合について、図６を基に説明する。尚、交流系統ＥＳＡへの電力供給が制限されていないので、売電が可能である。

直流配電系統ＥＳＤの電圧Ｖｂｕｓが上昇して第２閾値電圧Ｖｔｈ２より大きくなると、動作制御部１０ｂは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の出力電圧の目標値Ｖｄｄ３を蓄電池３の電圧Ｖｂａｔより大きく設定する。これにより、蓄電池３が満充電でない場合は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３により余った発電電力を蓄電池３へ充電することができ、直流配電系統ＥＳＤの電圧Ｖｂｕｓが上昇するのを抑えることができる。

蓄電池３が満充電の場合或いは負荷装置４の消費電力が少なくなる等して、更に直流配電系統ＥＳＤの電圧Ｖｂｕｓが上昇し、交流化開始電圧Ｖａｃ＿ｓより大きくなると、ＤＣ−ＡＣインバータ１４ａが直流配電系統ＥＳＤの直流電力を電力変換して交流系統ＥＳＡに交流電力を供給し、売電を行う。これにより、直流配電系統ＥＳＤの電圧Ｖｂｕｓが定電圧運転開始電圧Ｖｐｖ＿ｍａｘ以下に維持され、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１は、ＭＰＰＴ制御を維持することができる。

尚、ここでは、動作制御部１０ｂが、ＤＣ−ＡＣインバータ１４ａの交流化開始電圧Ｖａｃ＿ｓを、Ｖｔｈ２＜Ｖａｃ＿ｓ＜Ｖｐｖ＿ｍａｘとなるように設定し、売電より蓄電池への充電を優先して行う場合について説明したが、Ｖａｃ＿ｓ＜Ｖｔｈ２となるように設定して、蓄電池３への充電より売電を優先するように構成しても良い。この場合には、直流配電系統ＥＳＤの電圧Ｖｂｕｓが上昇して交流化開始電圧Ｖａｃ＿ｓに達した場合に、ＤＣ−ＡＣインバータ１４ａが動作を開始して売電が行われ、直流配電系統ＥＳＤの電圧Ｖｂｕｓは交流化開始電圧Ｖａｃ＿ｓで維持され、結果として、第２閾値電圧Ｖｔｈ２を超えないので、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は動作しない。

〈別実施形態〉
〈１〉上記実施形態では、第２電力変換装置が、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２であり、蓄電池３側から直流配電系統ＥＳＤ側への電力供給（放電）及び直流配電系統ＥＳＤ側から蓄電池３側への電力供給（充電）を可能に構成されているが、これに限るものではなく、少なくとも蓄電池３側から直流配電系統ＥＳＤ側へ電力供給するように構成されていれば良い。

〈２〉上記実施形態において、図１では図示していないが、交流系統ＥＳＡが、交流負荷に電力を供給するように構成されていても良い。

〈３〉上記実施形態では、交流系統ＥＳＡと接続されている場合を想定して説明したが、これに限るものではなく、交流系統ＥＳＡと接続されず、第４電力変換装置１４を備えていないシステムにも適用できる。

１ 本発明に係る直流配電システム
２ 太陽光発電装置
３ 蓄電池（電力貯蔵装置）
４ 負荷装置
１０ 動作制御装置
１０ａ 情報収集部
１０ｂ 動作制御部
１１ ＤＣ−ＤＣコンバータ（第１電力変換装置）
１２ 双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ（第２電力変換装置）
１３ ＤＣ−ＤＣコンバータ（第３電力変換装置）
１４ 第４電力変換装置
１４ａ ＤＣ−ＡＣインバータ
１４ｂ ＡＣ−ＤＣコンバータ
１００ 従来技術に係る直流配電システム
１０１ 系統連系ユニット
１０２ 電力貯蔵ユニット
１０３ フライホイールユニット
１０４ 風力発電ユニット
１０５ 太陽光発電ユニット
１０６ 負荷ユニット
１１０ 太陽光発電システム
１１１ 太陽光発電装置
１１２ ＤＣ−ＤＣコンバータ
１１３ ＤＣ−ＡＣインバータ
ＥＳＤ 直流配電系統
ＥＳＡ 交流系統

Claims (6)

1. 負荷装置に直流電力を供給する直流配電系統と、
   前記直流配電系統に太陽光発電装置の発電電力を電圧変換して供給する第１電力変換装置と、
   前記直流配電系統に常時接続された電力貯蔵装置と前記直流配電系統との間で電圧変換して、少なくとも前記電力貯蔵装置側から前記直流配電系統側へ電力供給する第２電力変換装置と、
   を備えた直流配電システムであって、
   前記電力貯蔵装置に前記太陽光発電装置の発電電力を電圧変換して供給する第３電力変換装置を備えることを特徴とする直流配電システム。
2. 前記第１電力変換装置が動作可能な前記太陽光発電装置の出力電圧の第１出力電圧範囲の下限値が、前記第３電力変換装置が動作可能な前記太陽光発電装置の出力電圧の第２出力電圧範囲の下限値より高く、
   前記第３電力変換装置は、前記太陽光発電装置の出力電圧が前記第１出力電圧範囲内に設定された所定の第１閾値電圧以下になると動作を開始することを特徴とする請求項１に記載の直流配電システム。
3. 前記太陽光発電装置の出力電圧に応じて前記第３電力変換装置の運転開始及び運転停止の制御を行う第１動作制御部を備えることを特徴とする請求項２項に記載の直流配電システム。
4. 前記第３電力変換装置は、前記第１電力変換装置が動作している場合であって、前記直流配電系統の電圧が所定の第２閾値電圧以上の場合に動作することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の直流配電システム。
5. 前記直流配電系統の電圧に応じて前記第３電力変換装置の運転開始及び運転停止の制御を行う第２動作制御部を備えることを特徴とする請求項４項に記載の直流配電システム。
6. 交流系統と前記直流配電系統との間で電力変換して、一方側から他方側へ電力供給する第４電力変換装置を備え、
   前記第２電力変換装置が、前記直流配電系統側から前記電力貯蔵装置側へ電力供給可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の直流配電システム。

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