JP5589141B2 - 太陽光発電システムの運転制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は太陽光発電システムにおける電力変換器(パワーコンディショナ)の運転制御装置に関する。
特許文献1には、太陽電池の発電電力を有効に利用できるものとして、電力変換装置と電力系統が接続される受電点の電圧上昇を、電力変換装置の有効電流出力を一定に保ちながら進相無効電流を流すことによって抑制するようにした発明が開示されている。
特許文献2には、電力系統と連系運転する分散配置型電源の出力電力が、連系点電圧を一定値に維持するために大きくハンチングするのを抑制するため、連系点電圧に上限値と下限値とを設け、連系点電圧がこの範囲内にあるときは両制御(通常は100%力率で最大電力を出力するべく運転し、連系点電圧が制限値を越えた場合にのみ、有効電力と進相無効電力の両者を制御して連系点電圧を抑制している)を継続して連系点電圧を上限値以下となるように抑制し、連系点電圧が下限値以下になったときのみ100%力率の最大電力を出力する通常運転に戻らせる発明が記載されている。
従来、太陽電池で発電した直流電力を、電力変換器(パワーコンディショナ)により交流電力に変換して交流電力系統に供給するシステムにおける問題点として次のようなことがある。前記電力変換器において、交流電力系統に交流電圧を供給するのに太陽光発電装置からの直流電圧が最低値(下限値)を超えないと電力変換が行われないようになっている。この場合の最低値(下限値)としては、ぎりぎりの値プラス余裕の値であるが、交流側に電圧変動があるので、太陽電池の発電電力の有効利用が図られない。
電力変換器の入力電圧である、直流電圧は最低値(下限値)を超えたとき電力変換器を運転するが、その直流電圧の最低値(下限値)は固定のままである。ここで、直流電圧の最低値(下限値)は太陽光発電装置が一番悪い条件のときの値を決めていた。
特許第3528879号 特許第3407234号
しかしながら、実際には太陽電池の出力である直流電圧が低くても電力変換器を運転することができるのに、現状のシステムでは直流電圧は最低値(下限値)は固定のままである。この結果、太陽電池が発電しているにもかかわらず、電力変換器が運転されない場合には太陽電池の発電電力が無駄となってしまう。
本発明は、電力変換器の運転範囲を広げることができ、太陽電池の発電電力を有効利用できる太陽光発電システムにおける運転制御装置を提供することを目的とする。
前記目的を達成するため、請求項1に対応する発明は、太陽電池からの直流電力を電力変換器により電力変換し、この変換された電力を交流電力系統に供給するものであって、前記電力変換器と前記交流電力系統との連系点に開閉器を備えた太陽光発電システムにおいて、前記開閉器の前記電力変換器側における電圧及び前記交流電力系統側における電圧を検出する電圧検出器と、前記電圧検出器の前記電力変換器側における電圧と前記交流電力系統側における電圧を入力し、両電圧値が略等しいとき前記開閉器に対して投入指令を与える投入判定器と、前記電圧検出器で検出した前記交流電力系統側の電圧に基づき前記電力変換器の運転判定値を求める判定値演算器と、前記太陽電池の直流出力電圧を検出する直流電圧検出器と、前記直流電圧検出器で検出した直流出力電圧と前記判定値演算器で求めた運転判定値を取り込み両者を比較し、前記直流出力電圧が前記運転判定値より大きいときは前記電力変換器に対して運転指令を与える運転判定器とを具備した太陽光発電システムの運転制御装置である。
前記目的を達成するため、請求項2に対応する発明は、太陽電池からの直流電力を電力変換器により単相交流電力に変換し、この変換された単相交流電力を交流電力系統に供給するものであって、前記電力変換器と前記交流電力系統との連系点に開閉器を備えた太陽光発電システムにおいて、前記開閉器の前記電力変換器側における電圧及び前記交流電力系統側における単相交流電圧を検出する電圧検出器と、前記電圧検出器の前記電力変換器側における電圧と前記交流電力系統側における電圧を入力し、両電圧値が略等しいとき前記開閉器に対して投入指令を与える投入判定器と、前記電圧検出器で検出した前記交流電力系統側の移動平均電圧とマージンとの積により前記電力変換器の運転判定値を求める判定値演算器と、前記太陽電池の直流出力電圧を検出する直流電圧検出器と、前記直流電圧検出器で検出した直流出力電圧と前記判定値演算器で求めた運転判定値を取り込み両者を比較し、前記直流出力電圧が前記運転判定値より大きいときは前記電力変換器に対して運転指令を与える運転判定器とを具備した太陽光発電システムの運転制御装置である。
前記目的を達成するため、請求項3に対応する発明は、太陽電池からの直流電力を電力変換器により三相交流電力に変換し、この変換された三相交流電力を交流電力系統に供給するものであって、前記電力変換器と前記交流電力系統との連系点に開閉器を備えた太陽光発電システムにおいて、前記開閉器の前記電力変換器側における電圧及び前記交流電力系統側における電圧を検出する電圧検出器と、前記電圧検出器の前記電力変換器側における電圧と前記交流電力系統側における電圧を入力し、両電圧値が略等しいとき前記開閉器に対して投入指令を与える投入判定器と、前記電圧検出器で検出した前記交流電力系統側の移動平均電圧と1.35とマージンとの積により前記電力変換器の運転判定値を求める判定値演算器と、前記太陽電池の直流出力電圧を検出する直流電圧検出器と、前記直流電圧検出器で検出した直流出力電圧と前記判定値演算器で求めた運転判定値を取り込み両者を比較し、前記直流出力電圧が前記運転判定値より大きいときは前記電力変換器に対して運転指令を与える運転判定器とを具備した太陽光発電システムの運転制御装置である。
以上述べた本発明によれば、太陽電池の最小入力運転設定値を交流電力系統の電圧に合わせて変動させることで、電力変換器(インバータ)の運転範囲を広げることができる。
電力変換器の運転範囲を広げ、電力変換器の起動開始時刻が早くなるので、トータルの発電量を増加させることが可能となる。
図1は、本発明の第1の実施形態を説明するための概略構成図である。 図2は、図1の電力変換器の動作を説明するためのグラフである。 図3は、図1の動作を説明するための図である。 図4は、本発明の第2の実施形態を説明するための概略構成図である。 図5は、本発明の第2の実施形態を説明するための概略構成図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。本発明は、太陽電池(PV)1からの直流電力を例えばインバータからなる電力変換器2により電力変換し、この変換された電力を交流電力系統4に供給するものであって、電力変換器2と交流電力系統4との連系点に開閉器5を備え、かつ電力変換器2と開閉器5の接続母線に直列にリアクトル3及びその接続母線に並列にコンデンサ6を接続した太陽光発電システムにおいて、以下のような構成を備えたものである。
開閉器5の電力変換器2側、具体的にはコンデンサ6と開閉器5の間における電圧を検出する交流電圧検出器(例えばPT)7と、交流電力系統4側、具体的には交流電力系統4と開閉器5における電圧を検出する交流電圧検出器(例えばPT)8と、電圧検出器7により検出した電圧Cと電圧検出器8により検出した電圧Dを入力し、両電圧値が略等しいとき開閉器5に対して投入指令を与える投入判定器9と、電圧検出器8で検出した電圧の移動平均電圧に基づき電力変換器2の運転判定値を求める判定値演算器15と、太陽電池1の直流出力電圧を検出する直流電圧検出器10と、直流電圧検出器10で検出した直流出力電圧Aと判定値演算器15で求めた運転判定値Bを取り込み両者を比較し、直流出力電圧Aが運転判定値Bより大きいときは電力変換器2に対して運転指令を与える運転判定器11とを備えた太陽光発電システムの運転制御装置である。
ここで、移動平均電圧は、電圧検出器8で検出したある時間帯における電圧値の瞬時値の和を時間で徐算した値のことである。
図2は、電力変換器2の動作を説明するための図であり、縦軸は太陽電池1の直流出力電圧である、電力変換器2の入力直流電圧を示し、横軸は交流電力系統4の系統電圧を示している。従来の太陽光発電システムは、図2において、電力変換器2の最小運転範囲を設定するのは系統電圧上限値を考慮する必要があるので、図2の斜線部の範囲では、太陽電池1からの直流電力を有効利用できなかった。
以上述べた本発明の実施形態によれば、電圧検出器8で検出される交流電力系統4の入力電圧が変動すると、判定値演算器15で演算される移動平均電圧である判定値Bが変動し、電圧検出器10により検出される太陽電池1の直流出力電圧Aが、A>Bという条件を満たした場合には、運転判定器11から電力変換器2に対して運転指令が与えられ、電力変換器2が運転状態となると共に、開閉器5は投入状態となる。この結果、太陽電池1で発電された直流電力が交流電力系統4に供給される。
このように交流電力系統4の入力電圧の変動に伴って電力変換器2の最小運転入力設定値(最小入力運転設定値)が変更され、これに伴って電力変換器2が運転されるので、従来利用できなかった図2の斜線部の範囲でも太陽電池1から発電された直流電力を利用可能となるので、運転範囲が広がり、太陽光発電システムのトータルでの変換効率を向上させることができる。また電力変換器2の起動開始時間が早くなる利点もある。
本発明は、前述した交流電力系統4の電圧の移動平均を求める。この交流電力系統4の定格電圧Vac±10%まで補償する。例えば、図3の定格電圧Vacが+10%のとき図3の太陽電池1の直流電圧Eでは補償できない。このため、直流電圧Eも+10%で、E2とならないと不可であり、太陽電池1のが+10%でないと、電力変換器2を運転しない。Eの変動は、0%だから太陽電池1の運転はできる。また、−10%のとき、E1でも運転できる。
従来は、交流電力系統4の電圧がVacの+10%は補償するので、太陽電池1の電圧E2のときでないと電力変換器2は運転していなかった。太陽光発電システムは、設計上Vacの±10%が出せるときのみ電力変換器2を運転していた。太陽電池1の直流出力電圧の一番高いところを選ぶ。太陽電池1の最高出力電圧値以上では電力変換器2を運転できる。
本発明は、太陽電池1の出力電圧を少しでも交流電力系統4側に送れるようにするために、前述したように交流電力系統4の系統電圧の変動を考慮したものである。交流電力系統4側の入力電圧を見て太陽電池1の起動を開始する。交流電力系統4の電圧は変動するので、例えば何サイクル波形の平均値を求める。例えば、平均値0%又は+10%を確認して電力変換器2と太陽電池1を運転する。そうしないと、一瞬のうち超えても実際に運転したときに太陽電池1の出力電圧が下がっていることがあるからである。だから例えば10Hz、100Hzの平均値を求める。
図4は、本発明の第2の実施形態を説明するための概略構成図で、前述の第1の実施形態と異なる点は、判定値演算器15を、平均化演算器12及び判定値演算器13に変更し、交流電力系統4が単相の場合である。平均化演算器12は、電圧検出器8で検出した単相交流電圧の例えば所定時間内の電圧の移動平均値Vacを求める。判定値演算器13は、移動平均値VacにマージンK(例えば0.9〜0.95)を乗算して運転判定値Bを求める。以上述べた点を除けば、前述の第1の実施形態と構成及びその作用効果は同一であるので、その説明は省略する。
図5は、本発明の第3の実施形態を説明するための概略構成図で、前述の第1の実施形態と異なる点は、判定値演算器15を、平均化演算器12A及び判定値演算器13Aに変更し、交流電力系統4Aが三相の場合である。平均化演算器12Aは、電圧検出器8で検出した三相交流電圧の例えば所定時間内の三相電圧の移動平均値Vacを求める。判定値演算器13Aは、移動平均値Vacに、1.35とマージンKを乗算して運転判定値Bを求める。以上述べた点を除けば、前述の第1の実施形態と構成及びその作用効果は同一であるので、その説明は省略する。
前述の実施形態では、電力変換器2の出力側と開閉器5の間に、純粋のリアクトル3を設けた例について説明したが、インバータトランス等の絶縁機能を有するリアクトルであっても前述の実施形態と同様に実施できる。
前述の実施形態の投入判定器9の投入条件は、コンデンサ6と開閉器5の間に設けた電圧検出器7の検出値Cと、開閉器5と交流電力系統4の間に設けた電圧検出器8の検出値Dが略等しいとき、具体的には電圧、位相、周波数が略等しいとき開閉器5に投入指令を与えるようにしたが、これを経験的に求めたもので開閉器5を投入したとき大きな電流サージの発生又は過電流が流れない条件を満足すれば、この構成にしてもよい。
1…太陽電池、2…電力変換器、3…リアクトル、4…交流電力系統、4A…交流電力系統、5…開閉器、6…コンデンサ、7…交流電圧検出器、8…交流電圧検出器、9…投入判定器、10…直流電圧検出器、11…運転判定器、12…平均化演算器、12A…平均化演算器、13…判定値演算器、13A…判定値演算器、15…判定値演算器。

Claims (3)

  1. 太陽電池からの直流電力を電力変換器により電力変換し、この変換された電力を交流電力系統に供給するものであって、前記電力変換器と前記交流電力系統との連系点に開閉器を備えた太陽光発電システムにおいて、
    前記開閉器の前記電力変換器側における電圧及び前記交流電力系統側における電圧を検出する電圧検出器と、
    前記電圧検出器の前記電力変換器側における電圧と前記交流電力系統側における電圧を入力し、両電圧値が略等しいとき前記開閉器に対して投入指令を与える投入判定器と、
    前記電圧検出器で検出した前記交流電力系統側の電圧に基づき前記電力変換器の運転判定値を求める判定値演算器と、
    前記太陽電池の直流出力電圧を検出する直流電圧検出器と、
    前記直流電圧検出器で検出した直流出力電圧と前記判定値演算器で求めた運転判定値を取り込み両者を比較し、前記直流出力電圧が前記運転判定値より大きいときは前記電力変換器に対して運転指令を与える運転判定器と、
    を具備したことを特徴とする太陽光発電システムの運転制御装置。
  2. 太陽電池からの直流電力を電力変換器により単相交流電力に変換し、この変換された単相交流電力を交流電力系統に供給するものであって、前記電力変換器と前記交流電力系統との連系点に開閉器を備えた太陽光発電システムにおいて、
    前記開閉器の前記電力変換器側における電圧及び前記交流電力系統側における単相交流電圧を検出する電圧検出器と、
    前記電圧検出器の前記電力変換器側における電圧と前記交流電力系統側における電圧を入力し、両電圧値が略等しいとき前記開閉器に対して投入指令を与える投入判定器と、
    前記電圧検出器で検出した前記交流電力系統側の移動平均電圧とマージンとの積により前記電力変換器の運転判定値を求める判定値演算器と、
    前記太陽電池の直流出力電圧を検出する直流電圧検出器と、
    前記直流電圧検出器で検出した直流出力電圧と前記判定値演算器で求めた運転判定値を取り込み両者を比較し、前記直流出力電圧が前記運転判定値より大きいときは前記電力変換器に対して運転指令を与える運転判定器と、
    を具備したことを特徴とする太陽光発電システムの運転制御装置。
  3. 太陽電池からの直流電力を電力変換器により三相交流電力に変換し、この変換された三相交流電力を交流電力系統に供給するものであって、前記電力変換器と前記交流電力系統との連系点に開閉器を備えた太陽光発電システムにおいて、
    前記開閉器の前記電力変換器側における電圧及び前記交流電力系統側における電圧を検出する電圧検出器と、
    前記電圧検出器の前記電力変換器側における電圧と前記交流電力系統側における電圧を入力し、両電圧値が略等しいとき前記開閉器に対して投入指令を与える投入判定器と、
    前記電圧検出器で検出した前記交流電力系統側の移動平均電圧と1.35とマージンとの積により前記電力変換器の運転判定値を求める判定値演算器と、
    前記太陽電池の直流出力電圧を検出する直流電圧検出器と、
    前記直流電圧検出器で検出した直流出力電圧と前記判定値演算器で求めた運転判定値を取り込み両者を比較し、前記直流出力電圧が前記運転判定値より大きいときは前記電力変換器に対して運転指令を与える運転判定器と、
    を具備したことを特徴とする太陽光発電システムの運転制御装置。
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