JP5727714B2

JP5727714B2 - 電源制御システム

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Publication number: JP5727714B2
Application number: JP2010079848A
Authority: JP
Inventors: 高木　康夫; 康夫高木; 村山　大; 大村山; 西村　信孝; 信孝西村; 岩渕　一徳; 一徳岩渕
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: JP2011211877A

Description

本開示は、電源制御システムに関する。

従来から、商用系統とは別に、太陽光発電装置や蓄電池、発電機等の分散型電源を用いて自立運転するビル内の単独系統（マイクログリッド系統）が考案されている。この自立運転中のビル内マイクログリッド系統の周波数を安定させる制御技術として、従来の技術は、自立運転時にベースとなる電圧、周波数を生成する分散型電源の出力変動を高速な応答性能を持つ別の分散型電源を用いて補償することが行われてきた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−２７３２１０号公報

しかしながら、蓄電池やキャパシタの電気容量は有限である。よって、新たな充電等がなされないまま、出力し続けた場合、制御の途中で電力補償ができなくなってしまう場合があった。

また、負荷による電力消費を調整することにより、単独系統による安定した電力提供を目的として開発された電源制御システムはない。さらに、太陽光発電による発電が自然エネルギーを利用している等の理由から適切な出力レベルを決定することが困難な太陽電池を用いた単独系統（自立運転）での電力供給の安定化が求められる。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、太陽光発電等の自然エネルギーに由来する電源装置を備えた単独系統による負荷への電力の自立供給を安定化させる電源制御システムおよび電源制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電源制御システムは、
太陽電池と、発電機と、蓄電池を連系して単独系統を形成し、特定の負荷に電力を供給する電源システムを制御する電源制御システムであって、
前記太陽電池の上空画像を撮影する撮影手段と、
前記撮影手段が撮影した前記太陽電池の上空画像から雲率を算出し、前記雲率から前記太陽電池の発電量を算出する予測手段と、
前記蓄電池の蓄電量を算出する算出手段と、
前記予測部が算出した前記太陽電池の発電量および前記算出手段が算出した前記蓄電池の蓄電量から、前記発電機の発電量を前記蓄電池から出力される前記単独系統における交流電力の基準波形に合わせた周波数の電力を出力するよう制御する制御手段と、
前記発電機の発電量が最大にもかかわらず前記負荷への供給量が不足している場合に、予め設定された優先順位に従って、前記負荷の電力の需要量を調整する調整手段と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、単独系統による電力の自立供給を安定化させることが可能となる。

実施形態に係る電源制御システムの構成を示す図。実施形態に係る太陽電池２０の発電量と、雲率との関係を示す図。実施形態に係る蓄電量推定の概念図。実施形態に係る電池電圧と電池電流と蓄電量との関係を示す図。実施形態に係る負荷量調節と発電出力との関係を示す図。実施形態に係る電源制御システムの動作を示すフローチャート。実施形態に係る単独系統における動作を示すフローチャート。

以下、本発明の実施態様の構成について図１乃至図５を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態に係る電源制御システムの構成を示す図である。

図２は、本実施形態に係る太陽電池２０の発電量と、雲率との関係を示す図である。

図３は、実施形態に係る蓄電量推定の概念図である。

図４は、実施形態に係る電池電圧と電池電流と蓄電量との関係を示す図である。

図５は、実施形態に係る負荷量調節と発電出力との関係を示す図である。

本実施形態の電源制御システムは、図１に示すように、制御装置１０、太陽電池２０と負荷３０ａ…３０ｎと、発電機４０と蓄電池５０、撮像装置１１１、太陽電池制御部２１、負荷制御部３１、発電機制御部４１、蓄電池制御部５１を含む構成である。

太陽電池２０は、太陽光エネルギーを電気エネルギーへ変換する分散型電源である。変換された電力は、太陽電池制御部２１により制御がなされ、商用系統電源や他の分散型電源と連携して負荷３０ａ…３０ｎに電力を供給する。また、商用系統が停電などにより電力供給がなされない場合に商用系統から切り離し、発電機４０や蓄電池５０と連携して負荷３０ａ…３０ｎへ電力を供給する単独系統を形成する。

太陽電池制御部２１は、後記する制御部１０の指示に従い、太陽電池２０の発電量を制御する。また、単独系統の際は、蓄電池５０から出力される基準波形に合わせて、太陽電池２０から電力を出力するよう調節を行う。

負荷３０ａ…３０ｎは、電力の被供給対象である。例えば、ビル内の空調システムや照明等であって、電力を消費する機器である。各負荷３０ａ…３０ｎは、電力供給回線３００によって電力の投入、開放が行われる。

負荷制御部３１は、負荷３０ａ…３０ｎの負荷の電力消費量を制御する。系統から供給される電力が、各負荷３０ａ…３０ｎの需要量を上回っている場合は、各負荷３０ａ…３０ｎにそれぞれ必要とする電力を太陽電池２０等を含む電源から受け取り、供給する。

単独系統の場合であって、系統から発電される電力が各負荷３０ａ…３０ｎの需要量を下回っている場合、後記する負荷量調整部１３からの指示に従って、各負荷３０ａ…３０ｎの電力需要量の調節や、各負荷３０ａ…３０ｎの電力供給回線３００の開放を行う。例えば、負荷３０ａ…３０ｎの一つが空調機であるとすると、当該空調機の設定温度を変化させることにより、電力の消費量を変化させる。また、予め設定された優先順位に従って、順次、各空調機への電力供給を、発電量が供給量を上回るまで、遮断させる。

発電機４０は、機械エネルギーを電気エネルギーへ変換する分散型電源である。発電機制御部４１により、商用系統電源や他の分散型電源（例えば、太陽電池２０、蓄電池５０等）と連携して負荷３０ａ…３０ｎに電力を供給する。例えばエンジン等の原動機を回転させることにより発電する。本実施形態ではー台のみ記載しているが、複数台であっても良い。

発電機制御部４１は、制御部１０の指示に従い発電機４０の発電量の調節を行う。具体的には、出力する端子電圧を一定に保ち、発電機４０の原動機の回転数を一定に保つ。また、単独系統の際は、蓄電池５０から出力される基準波形に合わせて、電力を出力するよう調節を行う。

蓄電池５０は、電力を貯蓄し、負荷３０ａ…３０ｎへ他の電源と連携して電力供給を行う分散型電源である。蓄電池５０は、蓄電池制御部５１により制御され、主に単独系統時の基準波形を与えるとともに、太陽電池２０からの出力波形の乱れを平坦化させるために利用する。

蓄電池制御部５１は、蓄電池５０の電力の充放電を制御する。商用系統から切り離して、単独系統で負荷３０ａ…３０ｎへ電力を供給する場合には、ＰＷＭ（pulse width modulation）により一定の交流波形を生成し、他の分散型電源の基準となる周波数の電力波形を出力するよう蓄電池５０へ放電を指示する。

制御装置１０は、連携する商用系統や他の分散型電源を含む交流系統の電圧位相に合わせて電流を制御し、太陽電池２０による発電量が最大となるよう太陽電池制御部２１、発電機制御部４１、蓄電池制御部５１を介して各電源の出力制御を行う。なお、蓄電池５０に対しては、充電を含む需給制御を実施する。

また、太陽電池制御部２１、発電機制御部４１、蓄電池制御部５１を制御することにより、太陽電池２０、発電機４０、蓄電池５０からの短時間の発電量の変化の補填等を行う系統連系制御を行う。

制御装置１０は、商用系統に接続されている場合と、切り離されている場合を検出し、太陽電池制御部２１、発電機制御部４１、蓄電池制御部５１を、商用系統と接続されている場合と、単独系統の場合について異なった制御アルゴリズムにより制御する。また、図５に示すように、負荷３０ａ…３０ｎの需要電力を、太陽電池２０の発電量が上回った場合、これより大きい電力を出力しないように調節を行う。

商用系統から切断された単独系統の場合には、太陽電池２０による太陽光発電の出力を最大限利用し、発電不足分の発電を発電機制御部４１へ指示する。また、蓄電池５０の蓄電残量がなくならないよう蓄電池５０へ電力の入出力の調整を行う。

商用系統に接続されている場合には、太陽電池２０による太陽光発電の出力が最大かつ、発電機４０による発電量が０となり、蓄電池５０が満充電状態となるように、各分散型電源への電力の入出力を太陽電池制御部２１、発電機制御部４１、蓄電池制御部５１に指示する。

制御部１０は、さらに、太陽電池予測部１１、蓄電池蓄電推定部１２、負荷量調整部１３を含む構成である。

太陽電池予測部１１は、太陽電池２０の発電量を算出（予測）する。太陽電池予測部１１は、予め、図２に示すように太陽電池２０の上空の雲率に対応する太陽電池２０の発電量値を記憶している。撮像装置１１１が撮像した画像または映像から検出される雲率を求め、上記図２の示す比例関係に対応づけ太陽電池２０の平均的な予測発電量値を算出する。

撮像装置１１１は、太陽電池２０上空の画像または映像を撮像するカメラ等の撮像機器である。

蓄電池蓄電推定部１２は、蓄電池制御部５１から蓄電池５０の充放電量と、電池電圧、電池電流値とを取得し、取得した充放電量の積算値および取得した電池電圧、電池電流から計算される補正値の和から、蓄電量を推定するソフトセンサーである。

具体的には、蓄電量と、電池電圧、電池電流には図４に示すような気温にも依存する対応関係にある。この対応関係と、図３に示すように、充放電量の積分量の２つの情報から蓄電量を算出する。本実施形態では、より正確な蓄電量を求めるため上記のような蓄電量の算出方法を例示したが、他の蓄電量を推定する方法であってもよい。

負荷量調整部１３は、負荷制御部３１に対して、各負荷３０ａ…３０ｎへの電力供給回線３００の投入、開放を指示する。具体的には、図５の破線で示すように、発電機４０が最大出力で電力供給を負荷３０ａ…３０ｎに対して行っているにもかかわらず、発電量が不足している場合に、負荷３０ａ…３０ｎの負荷量制御を行う。単独系統で、太陽電池２０、発電機４０、蓄電池５０からの電力供給量では各負荷３０ａ…３０ｎには需要量に満たないと判断した場合に、予め設定された優先順位に従い、各負荷３０ａ…３０ｎへの電力供給回線３００の開放、投入を負荷制御部３１を介して行う。なお電力供給回路の開放の前段階として、各負荷３０ａ…３０ｎの電力需要量を減らしてもよい。

制御線２００は、各種制御信号等を伝送する線路であり、本実施形態では有線のごとく記載しているが無線であってもよい。

電力供給回線３００は、電力を負荷へ供給するケーブル等である。この電力供給回線３００が遮断されることにより、負荷への電力供給が遮断される。単独系統形成時は、商用系統との連絡を遮断する。

次に、本実施形態の動作について図６、７を参照しながら説明する。

図６は、実施形態に係る電源制御システムの動作を示すフローチャートである。

まず、制御部１０は、商用系統との接続状態にあるか否かを検出する（ステップＳ１０１）。

商用系統との接続状態にある場合（ステップＳ１０１―ＮＯ）について述べる。

制御部１０は、太陽電池２０による太陽光発電の出力が最大かつ、発電機４０による発電量が０となり、蓄電池５０が満充電状態となるように、各分散型電源への電力の入出力を太陽電池制御部２１、発電機制御部４１、蓄電池制御部５１に指示する。

商用系統から太陽電池２０による発電量と負荷３０ａ…３０ｎの負荷とを比較して、不足分を商用系統から取得する（ステップＳ１２０）。

次に、商用系統と切断状態にある単独系統と判断した場合（ステップＳ１０１−ＹＥＳ）、制御部１０は、単独系統で負荷３０ａ…３０ｎへの電力供給を指示する（ステップＳ１１０）。

これら単独系統時の制御部１０による制御を表したのが、図７である。

図７は、実施形態に係る単独系統における動作を示すフローチャートである。

まず、太陽電池予測部１１は、撮像装置１１１で撮像される太陽電池２０上空の雲率から太陽電池２０の予測発電量を算出する（ステップＳ１１１）。

また、蓄電池蓄電推定部１２は、蓄電池制御部５１から蓄電池５０の充放電量と、電池電圧、電池電流値とを取得し、取得した充放電量の積算値および取得した電池電圧、電池電流から計算される補正値から、蓄電量を推定する（ステップＳ１１２）。

その後、制御部１０は、太陽電池予測部１１により算出された平均的な予測発電量と、蓄電池蓄電推定部１２により算出された蓄電量と、負荷３０ａ…３０ｎの負荷量とを比較する（ステップＳ１１３）。

太陽電池予測部１１により算出された平均的な予測発電量と、蓄電池蓄電推定部１２により算出された蓄電量と、負荷３０ａ…３０ｎの負荷量とを比較した結果、発電不足の電力量があれば、発電を発電機制御部４１へ指示する。つまり、発電機４０による発電が必要か否かを判断する（ステップＳ１１４）。

発電機４０による発電が必要ない場合、つまり、太陽電池２０および蓄電池５０からの電力供給で負荷３０ａ…３０ｎの需要が満たされている場合には、ステップＳ１０１へ戻る（ステップＳ１１４−ＮＯ）。

発電機４０による発電が必要な場合、つまり、太陽電池２０および蓄電池５０からの電力供給可能量が負荷３０ａ…３０ｎの需要に対し不足している場合、需要を満たすように、発電機４０による発電量を増加させる（ステップＳ１１５）。

次に、制御部１０は、発電機出力が最大出力となったか否かについて発電制御部４１を介して、判断を行う（ステップＳ１１６）。発電機４０による発電量が最大未満の場合には、ステップＳ１０１へ戻る（ステップＳ１１６−ＮＯ）。

発電機４０による発電量が最大の場合（ステップＳ１１６−ＹＥＳ）、負荷３０の電力需要を満たしているか否かを判断する（ステップＳ１１７）。

負荷３０の需要を満たしている場合、ステップＳ１０１へ戻る（ステップＳ１１７−ＮＯ）。

負荷３０の需要を満たしていない場合、負荷制御部１３は、負荷制御部３１に対して、各負荷３０ａ…３０ｎへの電力供給回線３００の投入、開放を指示する。具体的には、予め設定された優先順位に従い、各負荷３０ａ…３０ｎへの電力供給回線３００の開放、投入を負荷制御部３１を介して行う。なお電力供給回路の開放の前段階として、各負荷３０ａ…３０ｎの電力需要量を減らしてもよい（ステップＳ１１８）。

以上、本実施形態によれば、太陽電池２０の上空の雲率により予測発電量を算出することができ、発電機４０の発電量を予め指示することができる。予め指示することができることにより、発電機４０および蓄電池５０による電力供給により急激な太陽電池２０の発電量の変化に対応することができ、単独系統におる自立安定性の向上を図ることができる。

また、誤差の少ない蓄電池５０の蓄電量を算出することができ、発電機４０へ発電量の指示を行うことができる。予め指示することができることから、急激な太陽電池２０の発電量の変化および蓄電池５０の蓄電量不足を予測した制御を行うことができ、単独系統におる自立安定性の向上を図ることができる。

さらに、太陽電池２０および発電機４０の電力の発電量が負荷３０ａ…３０ｎの消費量に満たない場合でも負荷の需要量の調節や、優先度の高い電力回線は保護することにより、単独系統における電力供給の自立安定性の向上を図ることができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０ … 制御装置
１１ … 太陽電池予測部
１１１ … 撮像装置
２０ … 太陽電池
２１ … 太陽電池制御部
３０ａ，…，３０ｎ … 負荷（個別）
３１ … 負荷制御部
４０ … 発電機
４１ … 発電機制御部
５０ … 蓄電池
５１ … 蓄電池制御部
１１１ … 撮像装置
２００ … 制御線
３００ … 電力供給回線

Claims

太陽電池と、発電機と、蓄電池を連系して単独系統を形成し、特定の負荷に電力を供給する電源システムを制御する電源制御システムであって、
前記太陽電池の上空画像を撮影する撮影手段と、
前記撮影手段が撮影した前記太陽電池の上空画像から雲率を算出し、前記雲率から前記太陽電池の発電量を算出する予測手段と、
前記蓄電池の蓄電量を算出する算出手段と、
前記予測部が算出した前記太陽電池の発電量および前記算出手段が算出した前記蓄電池の蓄電量から、前記発電機の発電量を前記蓄電池から出力される前記単独系統における交流電力の基準波形に合わせた周波数の電力を出力するよう制御する制御手段と、
前記発電機の発電量が最大にもかかわらず前記負荷への供給量が不足している場合に、予め設定された優先順位に従って、前記負荷の電力の需要量を調整する調整手段と、
を備えることを特徴とする電源制御システム。
太陽電池と、発電機と、蓄電池を連系して単独系統を形成し、特定の負荷に電力を供給する電源システムを制御する電源制御システムであって、
前記太陽電池の上空画像を撮影する撮影手段と、
前記撮影手段が撮影した前記太陽電池の上空画像から雲率を算出し、前記雲率から前記太陽電池の発電量を算出する予測手段と、
前記蓄電池の充放電量および前記蓄電池の電流値と電圧値を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された前記充放電量の積分量から前記蓄電池の第１の蓄電量を推定する第１の推定手段と、
前記検出手段により検出された前記蓄電池の電流値と電圧値から前記蓄電池の第２の蓄電量を推定する第２の推定手段と、
前記第１の推定手段が算出する第１の蓄電量と、前記第２の推定手段が算出する第２の蓄電量から、前記蓄電池の蓄電量を算出する算出手段と、
前記予測部が算出した前記太陽電池の発電量および前記算出手段が算出した前記蓄電池の蓄電量から、前記発電機の発電量を前記蓄電池から出力される前記単独系統における交流電力の基準波形に合わせた周波数の電力を出力するよう制御する制御手段と、
前記発電機の発電量が最大にもかかわらず前記負荷への供給量が不足している場合に、予め設定された優先順位に従って、前記負荷の電力の需要量を調整する調整手段と、
を備えることを特徴とする電源制御システム。