JP5990767B2

JP5990767B2 - 電力変換システム

Info

Publication number: JP5990767B2
Application number: JP2012076252A
Authority: JP
Inventors: 渉堀尾
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2032-03-29
Also published as: JP2013207970A

Description

本発明は、発電機の発電電力を交流電力に変換して、この交流電力を複数の需要家の屋
内配線に分配して供給する電力変換システムに関する。

従来より、共通の発電機（例えば、太陽電池、燃料電池、風力発電機など）の発電電力
を所定の分配比率で複数の需要家へ分配する電力変換システムが提案されている（特許文
献１）。

特開２００３−１３４６７３号公報

このような電力変換システムは、例えば、集合住宅において共同の発電機を設けたい場
合や、近隣の複数の需要家が共同の発電機を設けたい場合に、出資比率などに応じて予め
定めた分配比率を用いて発電機を利用するものであった。

この電力変換システムは、発電機として太陽電池を備え、太陽電池の発電電力を各需要
家の電力変換装置に直接供給している。この発電電力は予め定められた分配比率の電力を
夫々の需要家が取り込めるように夫々の電力変換装置が動作して行われていた。

しかしながら、従来の電力変換システムのように、すべての太陽電池の発電電力を各需
要家へ分配してしまうと、電力変換システムの所有者と需要家を利用する者が異なる場合
、例えば、各需要家の所有者が電力変換システムの所有者であり、需要家の所有者と賃貸
契約を結んだ住人（需要家を利用する者）が需要家に住んでいるような場合、電力変換シ
ステムの所有者は、需要家を利用しない限り発電電力を利用することができない。

本発明は上述の問題に鑑みて成された発明であり、電力変換システムの所有者と需要家
の利用者が異なる場合でも太陽電池の発電電力を電力変換システムの所有者、及び需要家
を利用する者が太陽電池の発電電力を利用できる電力変換システムを供給することを目的
とする。

上記目的を達成するために、発電機で発電された電力を第１のインバータ回路と第２の
インバータ回路とを用いて複数の出力に分配し、第１のインバータ回路の出力を需要家内
の自己消費用に供給し、第２のインバータ回路の出力を商用電力系統へ逆潮流させること
を特徴とする。

本発明によれば、電力変換システムの所有者と需要家の利用者が異なっていたとしても
、第１のインバータ回路により需要家へ電力を供給するので太陽電池の発電電力を需要家
の利用者が使用することができ、第２のインバータ回路により商用電力系統へ逆潮流する
ことにより、電力変換システムの所有者は商用電力系統への売電という形で太陽電池の発
電電力を利用することができる。

また、上述の発明において、前記商用電力系統へ逆潮流させる電力の売電の単価に関す
る情報を入手可能に構成された制御回路で当該制御回路が入手する前記単価の変換に応じ
て第１のインバータ回路と第２のインバータ回路に分配する電力の比率を変えることを特
徴とする。

また、上述の発明において、第１のインバータ回路から供給される電力が需要家内の自
己消費の電力より大きい際に当該需要家への電力供給を減らし、第２のインバータ回路か
ら供給される電力を増やすことを特徴とする。

また、上述の発明において、前記第１のインバータ回路よりも前記第２のインバータ回
路の方が出力可能な電力が大きいものを採用すると良い。

本発明によれば、電力変換システムの所有者と需要家の利用者が異なる場合でも太陽電
池の発電電力を電力変換システムの所有者、及び需要家を利用する者が太陽電池の発電電
力を利用できる電力変換システムを供給することができる。

電力変換システムの設置状態の実施例を示す概要図である。時間帯毎の売電料金を示す図である。

以下、図面に基づき本発明の第１の実施形態を詳述する。図１は電力変換システム１の
設置状態を示す概要図である。この図に示すように、商用電力系統Ｇから各需要家２ａ〜
２ｄが夫々交流電力の供給を受けており、この需要家２ａ〜２ｄに共通の電力変換システ
ム１が配備される。

電力変換システム１は、需要家２ａ〜２ｄに対して共通の太陽電池１０（発電機）と、
電力変換装置１１とを備えている。本実施例では、需要家２ａ〜２ｄは、１つの集合住宅
（例えば、マンションやアパート）を構成している。太陽電池１０は、例えば、この建物
の屋上に設置され、電力変換装置１１は、この建物の脇に配置される。太陽電池１０の発
電電力は電力変換装置１１に入力され、電力変換装置１１は、この発電電力を夫々の需要
家２ａ〜２ｄの屋内配線３１ａ、２ｂと、需要家２ａに電力を供給する商用電力系統Ｇと
、に分配して供給する。尚、需要家２ａ〜２ｄは集合住宅に限らず、近隣の戸建ての家屋
で構成されていてもよい。

ぞれぞれの需要家２ａ〜２ｄは、商用電力系統Ｇの供給する交流電力と、電力変換装置
１１の供給する交流電力（後述するインバータ回路４２ａ〜４２ｄの変換する交流電力）
とを入力し、これらの交流電力を重畳して需要家２ａ〜２ｄ内の負荷に供給する。

次に、電力変換装置１１について述べる。電力変換装置１１は、昇圧回路４１、複数の
第１のインバータ回路４２ａ〜４２ｄ、第２のインバータ回路４２ｅ、系統連系用リレー
４３ａ〜４３ｄ（開閉器）、及び制御回路４４を備えている。また、昇圧回路４１、複数
の第１のインバータ回路４２ａ〜４２ｄ、第２のインバータ回路４２ｅ、系統連系用リレ
ー４３ａ〜４３ｄ、及び制御回路４４は共通の筺体に収容され、この筺体を配置すること
により共通の場所にまとめられる。

昇圧回路４１は、太陽電池１０と複数の第１のインバータ回路４２ａ〜４２ｄとの間に
接続され、太陽電池１０の電圧を昇圧する。昇圧回路４１は、リアクトル、ＩＧＢＴやＦ
ＥＴのようなスイッチ素子、ダイオード回路、及びコンデンサからなる。具体的には、リ
アクトルとダイオードとを直列に接続して直列回路を形成し、この直列回路のリアクトル
側を太陽電池１０の正極側に接続する。また、リアクトルとダイオードとの接続点と太陽
電池の負極側とをスイッチ素子を介して接続している。また、直列回路のダイオード側と
太陽電池の負極側とをコンデンサを介して接続している。昇圧回路４１は、スイッチ素子
を周期的に導通／遮断し、例えば、この周期毎にスイッチ素子を導通する比率（以後、Ｏ
Ｎ比率）を設定することにより、太陽電池の電圧を所望の昇圧比で昇圧してコンデンサの
両端に出力する。

電力変換装置１１は、太陽電池１で発電された電力を第１のインバータ回路４２ａ〜４
２ｄと第２のインバータ回路４２ｅとを用いて複数の出力に分配する。
複数の第１のインバータ回路４２ａ〜４２ｄは、昇圧回路４１を介して入力される共通
の太陽電池１０の発電電力をそれぞれ交流電力に変換する。第１のインバータ回路４２ａ
〜４２ｄは、夫々商用電力系統Ｇから電力の供給を受ける需要家２ａ〜２ｄへ接続され、
第１のインバータ回路４２ａ〜４２ｄの出力をこの需要家２ａ〜２ｄ内の自己消費用に夫
々分配する。
第２のインバータ回路４２ｅは、商用電力系統Ｇへ接続され、第２のインバータ回路の
出力を商用電力系統Ｇへ逆潮流させる。また、第１のインバータ回路よ４２ａ〜４２ｄよ
りも第２のインバータ回路４２ｅの方が出力可能な電力が大きいものを利用する。例えば
、第１のインバータ回路を２．７ｋＷ出力するものを利用し、第２のインバータ回路を１
０ｋＷ出力するものを利用する。

第１のインバータ回路４２ａ〜４２ｄは、筺体の中に夫々収容されるため、この筺体か
ら交流配線を介して屋内配線３１ａ、３１ｂ、及び商用電力系統Ｇへ供給される。これに
より、複数の第１のインバータ回路４２ａ〜４２ｄは、共通の太陽電池１０の発電電力を
複数の需要家２ａ〜２ｄの屋内配線３１ａ、３１ｂ、及び需要家２ａへ電力を供給する商
用電力系統Ｇへ夫々分配する。

インバータ回路４２ａ〜４２ｅは、夫々、ＩＧＢＴやＦＥＴのような４つのスイッチ素
子によるブリッジ回路と、２つのリアクトルとコンデンサによるフィルタ回路とを有して
いる。インバータ回路４２ａ〜４２ｅのブリッジ回路は、夫々、直流側が昇圧回路のコン
デンサの両端に接続され、交流側がフィルタ回路に接続されている。フィルタ回路は、２
つのリアクトルの夫々の一端をコンデンサに接続し、夫々のリアクトルの他端をブリッジ
回路の交流側に接続する。インバータ回路４２ａ〜４２ｅは、所定のＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ
ＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を用いて、４つのスイッチ素子を導通／遮断
することにより、フィルタ回路のコンデンサの両端に商用電力系統と同期した波形の交流
電力を生成し、需要家２ａ〜２ｄの屋内配線３１ａ、３１ｄ、及び商用電力系統Ｇに供給
する。

系統連系用リレー４３ａ〜４３ｅは、インバータ回路４２ａ〜４２ｅの出力側に夫々設
けられ（第１のインバータ回路４３ａ〜４３ｄと需要家２ａ〜２ｄの夫々の間及び第２の
インバータ回路と商用電力系統Ｇとの間に設けられ）、第１のインバータ回路４２ａ〜４
２ｄと需要家２ａ〜２ｄとの間、及び第２のインバータ回路４２ｅと商用電力系統Ｇとの
間を短絡／開放する。これにより、この系統連系用リレー４３ａ〜４３ｂは、第１のイン
バータ回路４２ａ〜４２ｄから需要家２ａ〜２ｄ及び第２のインバータ回路４２ｅから商
用電力系統Ｇへ出力される交流電力を遮断することができる。

制御回路４４は、例えば、マイコンから成り、昇圧回路４１の動作、インバータ回路４
２ａ〜４２ｅの動作、及び系統連系用リレー４３ａ〜４３ｅの動作の制御を行う。

制御回路４４は、昇圧回路４１のＯＮ比率を、太陽電池１０の発電電力（昇圧回路４１へ
の入力電力）が最大になるように制御する。具体的には、入力電流センサ５１と入力電圧
センサ５２から得られる入力電流と入力電圧とから、昇圧回路４１に入力される太陽電池
１０の発電電力を演算する。演算した発電電力が、前回演算した発電電力よりも大きい場
合は、前回ＯＮ比率を変更した方と同じ方にＯＮ比率を変更する（前回ＯＮ比率を低くし
た場合再度低くし、前回ＯＮ比率を高くした場合は高くする）。また、逆に、前回演算し
た発電電力よりも小さい場合は、前回ＯＮ比率を変更した方と逆の方にＯＮ比率を変更す
る（前回ＯＮ比率を低くした場合高くし、前回ＯＮ比率を高くした場合は低くする）。

制御回路４４は、インバータ回路４２ａ〜４２ｅのスイッチ素子に導通／遮断するため
のＰＷＭ信号を生成する。具体的には、夫々の需要家に供給されている商用電力系統Ｇの
電圧を同じとして説明を容易にすると、制御回路４４は、各インバータ回路４２ａ〜４２
ｅの出力電流指令値Ｉｔａ〜Ｉｔｅを演算し、インバータ回路４２ａ〜４２ｅの出力電流
Ｉａ〜Ｉｅが出力電流指令値Ｉｔａ〜Ｉｔｅに一致するようにインバータ回路４２ａ〜４
２ｅの出力電圧を出力するようなＰＷＭ信号を生成する。この時の出力電流指令値Ｉｔａ
〜Ｉｔｅの比率は、インバータ回路４２ａ〜４２ｅに分配する電力の比率と同じに設定す
る。尚、需要家側の交流電圧を考慮する際はインバータ回路が出力する電力を分配比率に
応じて制御すればよい。

太陽電池１０の発電電力Ｐｉを各需要家２ａ〜２ｄ、及び商用電力系統Ｇへ分配する電
力Ｐａ〜Ｐｅの比率（分配比率）をｒａ〜ｒｅであらわすと、インバータ回路４２ａ〜４
２ｅの出力電流指令値Ｉｔａ〜Ｉｔｅは、以下のように演算することができる。

まず、分配される電力Ｐａ〜Ｐｅ、分配比率ｒａ〜ｒｅ、及び入力電力との関係は、Ｐ
ｎ＝ｒｎ×Ｐｉ（ｎ＝ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ）となる。そして、分配される電力は、Ｐｎ＝
Ｉｎ×Ｖｎ（ｎ＝ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ）なので、各インバータ回路４２ａ〜４２ｅに出力
させるべき電流値（出力電流指令値）Ｉｔａ〜Ｉｔｅはこの時のＩａ〜Ｉｅとなる。まと
めると、出力電流指令値は、Ｉｔｎ＝ｒｎ×Ｐｉ／Ｖｎ（ｎ＝ａ、ｂ、ｄ）となる。尚、
Ｖｎには、出力電圧センサにより検出した値Ｖａ〜Ｖｅを利用することができるが、予め
商用電力系統Ｇの電圧は定められているので、その電圧を利用しても良い。

例えば、太陽電池１０の発電電力Ｐｉが４０００[Ｗ]、商用電力系統Ｇの電圧Ｖｎ（Ｖ
ａ＝Ｖｂ＝Ｖｃ＝Ｖｄ＝Ｖｅ）が２００[Ｖ]であり、各需要家２ａ〜２ｅへの分配比率の
割合（ｒａ：ｒｂ：ｒｃ：ｒｄ：ｒｅ）が１／８：１／８：１／８：１／８：４／８の場
合、出力電流指令値Ｉｔａ〜Ｉｔｄは、以下のようになる。
Ｉｔａ＝ｒａ×Ｐｉ／Ｖａ＝２．５[Ａ]
Ｉｔｂ＝ｒｂ×Ｐｉ／Ｖｂ＝２．５[Ａ]
Ｉｔｃ＝ｒｃ×Ｐｉ／Ｖｃ＝２．５[Ａ]
Ｉｔｄ＝ｒｄ×Ｐｉ／Ｖｄ＝２．５[Ａ]
Ｉｔｅ＝ｒｂ×Ｐｉ／Ｖｅ＝１０[Ａ]

制御回路４４は、出力電流指令値Ｉｔａ〜Ｉｔｅが求まると、出力電流指令値Ｉｔａ〜
Ｉｔｅとインバータ回路４２ａ〜４２ｅの出力電流Ｉａ〜Ｉｅとの差が夫々ゼロになるよ
うな電圧をインバータ回路４２ａ〜４２ｅが出力するようなＰＷＭ信号を作成し、インバ
ータ回路４２ａ〜４２ｅのスイッチ素子に供給する。これにより各インバータ回路４２ａ
〜４２ｅから各需要家２ａ〜２ｄ及び商用電力系統Ｇに所定の分配比率ｒａ〜ｒｅにより
分配された交流電力が供給される。このようにして、夫々のインバータ回路４２ａ〜４２
ｅの出力電流Ｉａ〜Ｉｅに基づく電力が所定の分配比率ｒａ〜ｒｅに基づいて夫々の需要
家２ａ〜２ｅへ供給されるように複数のインバータ回路４２ａ〜４２ｅを個別に動作させ
ている。

制御回路４４（送信部、受信部を兼ねる）は、図示しないインターネットに接続されて
おり、このインターネットを介して、例えば、電力会社などから買電電力料金や売電電力
料金などの情報を入手可能に構成されている。制御回路４４は、通信回路４５がインター
ネットより入手する情報により分配比率ｒａ〜ｒｅを変更する。

本実施形態では、この情報として、通信回路４５は、時間帯毎の売電料金を受信する。
そして、制御回路４４は、これらの時間帯の内、売電料金が低い時間帯よりも、売電料金
が高い時間帯の方が、第２のインバータ回路４２ｅへ分配される太陽電池１の発電電力が
多くなるように分配比率ｒｅを設定する。

例えば、電力需要の高まる時間帯においては、電気料金が高く設定される可能性がある
。図２は、時間帯毎の売電料金を示す図である。（Ａ）は夏場を示しており、電力ピーク
が昼頃（１３：００〜１６：００）になるため、その時間帯の売電料金単価が他の時間帯
よりも高く設定された場合（例えば、売電電力単価が高い時間帯はその単価を３０円／ｋ
Ｗｈ、低い時間帯はその単価を１０円／ｋＷｈ等に設定する）の例である。（Ｂ）は冬場
を示しており、電力ピークが朝方（６：００〜８：００）頃と、夕方（１６：００〜１８
：００）頃になるため、その時間帯の売電料金単価が他の時間帯よりも高く設定された場
合（例えば、売電電力単価が高い時間帯はその単価を３０円／ｋＷｈ、低い時間帯はその
単価を１０円／ｋＷｈ等に設定する）の例である。

通信回路４５によりこのような情報を受信した場合、制御回路４４は、例えば、売電電
力単価の低い時間帯の分配比率の割合を（ｒａ：ｒｂ：ｒｃ：ｒｄ：ｒｅ）を２／８：２
／８：２／８：２／８：０／８に設定し、売電電力単価の高い時間帯の分配比率の割合（
ｒａ：ｒｂ：ｒｃ：ｒｄ：ｒｅ）を１／８：１／８：１／８：１／８：４／８に設定する
。このようにすると、売電電力単価の高い時間帯に第２インバータ回路４３ｄから直接商
用電力系統へ供給される電力（直接売電される電力）が増える。

また、制御回路４４は、第１のインバータ回路４２ａ〜４２ｄから需要家２ａ〜２ｄに
供給される電力が需要家２ａ〜２ｄ内の自己消費の電力より大きい際に需要家２ａ〜２ｄ
への電力供給を減らしている。

具体的には、各需要家２ａ〜２ｄの商用電力系統Ｇ側に逆潮流検出器４５ａ〜４５を設
け、逆潮流（即ち、第１のインバータ回路４２ａ〜４２ｄから需要家２ａ〜２ｄに供給さ
れる電力が需要家２ａ〜２ｄ内の自己消費の電力より大きい状態）を制御回路４４へ知ら
せるようにする。制御回路４４はこれを受けて、逆潮流の検出された第１のインバータ回
路の配分比率を減らし、減らした分第２のインバータ回路４２ｅの配分比率ｒｅを増やす
と良い。尚、配分比率により調整を行わなくとも、逆潮流の検出された第１のインバータ
回路の電流指令値Ｉｔａ〜Ｉｔｄを減らし、減らした分第２のインバータ回路４２ｅの電
流指令値Ｉｔｅを増やしても良い。

以上のように、本実施形態によれば、電力変換システム１の所有者と需要家２ａ〜２ｄ
の利用者が異なっていたとしても、第１のインバータ回路４２ａ〜４２ｄにより需要家へ
電力を供給するので太陽電池１０の発電電力を需要家２ａ〜２ｄの利用者が使用すること
ができ、第２のインバータ回路４２ｅにより商用電力系統Ｇへ逆潮流することにより、電
力変換システム１の所有者は商用電力系統Ｇへの売電という形で太陽電池の発電電力を利
用することができる。

また、電力変換システム１の所有者と需要家２ａ〜２ｄの利用者が異なる場合に、電力
変換システム１の所有者が需要家２ａ〜２ｄの所有者であれば、太陽電池１０の発電電力
を利用できることを需要家２ａ〜２ｄへアピールすることができる。

また、第１のインバータ回路４２ａ〜４２ｄから供給される電力が需要家２ａ〜２ｄ内
の自己消費の電力より大きい際に当該需要家２ａ〜２ｄへの電力供給を減らし、第２のイ
ンバータ回路４２ｅから供給される電力を増やしているため、需要家２ａ〜２ｄに電力を
供給しつつも、商用電力系統Ｇへより多くの逆潮流電力を売ることができる。

また、第１のインバータ回路４２ａ〜４２ｄよりも第２のインバータ回路４２ｅの方が
出力可能な電力が大きいものを採用しているため、第１のインバータ回路４２ａ〜４２ｄ
の出力を絞る必要がある台数が増えたとしても、第２インバータ回路４２ｅの出力を絞る
必要がなく、より多くの太陽電池１０の発電電力を商用電力系統Ｇへ売電することができ
る。

また、本発明によれば、売電料金の高い場合（時間帯）に、より多くの電力を第２イン
バータ回路４２ｅから出力できるように分配比率ｒａ〜ｒｅを変えている。これにより、
需要家２ａで太陽電池１の発電電力を利用しつつも、平均してなるべく高い値段により太
陽電池１の発電電力を売電することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、以上の説明は本発明の理解を容易にす
るためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱すること
なく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。

例えば、本実施形態において、共通の発電機として屋上に設置された太陽電池１０を利
用したが、例えば、複数の太陽電池１を異なる場所に設けて、これらの太陽電池１０の発
電電力をまとめ、まとめた太陽電池１０の発電電力を各第１のインバータ回路４２ａ〜４
２ｄで分配する場合も、共通の発電機を利用していると見ることができる。

また、例えば、本実施形態において、発電機として太陽電池１０を利用したが、燃料電
池、蓄電池、風力発電機、エンジン発電機など様々な発電機を利用することが可能である
。

また、例えば、売電料金の高い場合（時間帯）に、より多くの電力を第２インバータ回
路４２ｅから出力できるように分配比率ｒａ〜ｒｅを変えたが、売電料金の高い場合（時
間帯）に、より多くの電力を第１インバータ回路４２ｅから出力できるように分配比率ｒ
ａ〜ｒｅを変えても良い。

特に、需要家が住居を目的としているものであれば、冬場の電力ピークの時間帯（図２
参照）では、需要家にて電力が必要になる。また、売電料金の高い場合は、少ない電力量
でも売電料金を確保することができる。このため、ある程度の売電料金を確保した上で、
必要な電力を需要家に多く提供することができる。

１電力変換システム
２需要家
Ｇ商用電力系統
１０太陽電池
１１電力変換装置
４１昇圧回路
４２インバータ回路
４３系統連系用リレー（開閉器）
４４制御回路

Claims

発電機で発電された電力を複数の第１のインバータ回路と第２のインバータ回路とを用
いて複数の出力に分配し、前記複数の第１のインバータ回路の出力を夫々の需要家内の自
己消費用に供給し、第２のインバータ回路の出力を商用電力系統へ逆潮流させ、
前記商用電力系統へ逆潮流させる電力の時間帯毎の売電の単価に関する情報を受信可能
な受信部を有する制御回路で当該制御回路が受信する前記単価に応じて第１のインバータ
回路と第２のインバータ回路で分配する前記電力の比率を変え、前記複数の第１のインバ
ータ回路のうち前記逆潮流が検出される第１のインバータ回路で配分する電力の比率を減
らし且つ第２のインバータ回路で配分する電力の比率を増やすことを特徴とする電力変換
システム。
前記制御回路は、前記売電の単価が低い時間帯よりも、前記売電の単価が高い時間帯の
方が、第２のインバータ回路で分配される前記電力が多くなるように前記比率を設定する
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
前記制御回路は、前記売電の単価が低い時間帯よりも、前記売電の単価が高い時間帯の
方が、第１のインバータ回路で分配される前記電力が多くなるように前記比率を設定する
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。