JP6000742B2 - パワーコンディショナおよび電力供給システム - Google Patents

Description

この発明は、パワーコンディショナおよび電力供給システムに関し、より特定的には、直流電力源が発電した電力を電力系統に逆潮流する機能を備えたパワーコンディショナおよび電力供給システムに関する。

近年、地球環境問題の意識が高まる中、太陽光発電と蓄電池による電力貯蔵とを組み合わせた電力供給システムの開発が進められている。この種の電力供給システムに用いられるパワーコンディショナとしては、一般的な太陽光発電電力の逆潮流機能のほか、夜間の蓄電池充電機能、昼間の蓄電池放電機能とを備えた構成が提案されている（たとえば非特許文献１および特許文献１参照）。

しかしながら、現在、我が国においては、電力系統への影響を考慮して、蓄電池や燃料電池からの放電電力を電力系統に逆潮流することが認められていない。そのため、上記のパワーコンディショナにおいては、蓄電池から電力系統への逆潮流を防止するための逆潮流防止制御が行なわれる。

たとえば非特許文献１には、太陽電池の発電電力より負荷の消費電力が上回っているときには、不足分の電力を蓄電池からの放電電力により補うとともに、蓄電池からの放電電力が電力系統に流出しないように放電電力を制御する逆潮流防止制御を行なう構成が開示される。

また、特許文献１には、交流系主電路上における太陽電池用のインバータ回路の接続点と交流分電盤との間に逆潮流防止回路を設け、燃料電池および２次電池から出力される電力が、交流負荷および直流負荷により消費される電力以上になったときには、逆潮流防止回路により交流分電盤を切り離す構成が開示される。

特開２０１１−１５５０１号公報

横山他、「蓄電池併用形太陽光発電システム「パワーソーラーシステム」の開発」、GS News Technical Report、２００３年６月、第６２巻、第１号

しかしながら、上記の非特許文献１に記載される逆潮流防止制御によれば、負荷の消費電力と、太陽電池の発電電力および蓄電池の放電電力の合計値とが一致するように蓄電池の放電電力を制御することにより、パワーコンディショナから電力系統へ逆潮流させる電力を零以下とする。したがって、蓄電池から負荷に電力を供給している間は、太陽電池からの電力を逆潮流させることができない。

また、上記の特許文献１においては、太陽電池および２次電池の間に交流分電盤が設けられているため、太陽電池の発電電力を２次電池に供給するためには、太陽電池の発電電力をインバータ回路によって一旦交流電圧に変換して交流分電盤に出力し、この交流分電盤を経由した交流電圧を電力変換回路によって再度直流電圧に変換する必要がある。そのため、電力変換時における損失が大きくなるという問題がある。

それゆえ、この発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、逆潮流が禁止される直流電力源からの電力系統へ逆潮流を確実に防止しつつ、負荷への電力供給が可能なパワーコンディショナおよびそれを備える電力供給システムを提供することである。

この発明のある局面では、パワーコンディショナは、電力系統および複数の直流電力源の間に結合され、それぞれの電力を制御する。複数の直流電力源は、電力系統への逆潮流が許容される第１の直流電力源と、電力系統への逆潮流が禁止される第２の直流電力源とを含む。パワーコンディショナは、第１の直流電力源から供給される直流電力を伝達するための第１の直流バスと、第１の直流バスおよび電力系統の間で双方向に電力変換する電力変換装置と、第２の直流電力源から供給される直流電力を伝達するための第２の直流バスと、第２の直流バスから直流負荷に電力を供給するための給電部と、第１の直流バスから第２の直流バスへ電力を導通する一方で、第２の直流バスから第１の直流バスへ電力を非導通とするように、第１の直流バスおよび第２の直流バスの間に接続された単方向導通素子とを備える。

好ましくは、単方向導通素子は、第１の直流バスの電圧が第２の直流バスの電圧より大きいときに第１の直流バスから第２の直流バスへ電力を導通する一方で、第１の直流バスの電圧が第２の直流バスの電圧以下となるときに第１の直流バスから第２の直流バスへ電力を非導通とするように構成される。

好ましくは、パワーコンディショナは、第１の直流バスの電圧が第２の直流バスの電圧以下となるように、電力変換装置における電力変換を制御するための第１の電力変換制御手段をさらに備える。

好ましくは、パワーコンディショナは、電力変換装置に流れる自経路電流が制御目標値になるように電力変換装置における電力変換を制御するための第２の電力変換制御手段と、第２の電力変換制御手段の実行中に、第１の直流バスの電圧が第２の直流バスの電圧以下となるように、制御目標値を調整するための調整手段とをさらに備える。

好ましくは、単方向導通素子は、アノードが第１の直流バスに接続され、かつ、カソードが第２の直流バスに接続されたダイオードである。

好ましくは、パワーコンディショナは、第１の直流電力源を第１の直流バスに電気的に接続させるための少なくとも１つの第１の接続部と、第２の直流電力源を第２の直流バスに電気的に接続させるための少なくとも１つの第２の接続部とをさらに備える。

好ましくは、第２の直流電力源は、第２の接続部を介して第２の直流バスに直結された、再充電可能な蓄電装置である。

好ましくは、パワーコンディショナは、第１の直流電力源からの直流電力を電圧変換して第１の直流バスに出力するための第１の電圧変換部と、第２の直流電力源からの直流電力を電圧変換して第２の直流バスに出力するための第２の電圧変換部とをさらに備える。

この発明の別の局面では、電力供給システムは、複数の直流電力源と、電力系統および複数の直流電力源の間に結合され、それぞれの電力を制御するためのパワーコンディショナとを備える。複数の直流電力源は、電力系統への逆潮流が許容される第１の直流電力源と、電力系統への逆潮流が禁止される第２の直流電力源とを含む。パワーコンディショナは、第１の直流電力源から供給される直流電力を伝達するための第１の直流バスと、第１の直流バスおよび電力系統の間で双方向に電力変換する電力変換装置と、第２の直流電力源から供給される直流電力を伝達するための第２の直流バスと、第２の直流バスから直流負荷に電力を供給するための給電部と、第１の直流バスから第２の直流バスへ電力を導通する一方で、第２の直流バスから第１の直流バスへ電力を非導通とするように、第１の直流バスおよび第２の直流バスの間に接続された単方向導通素子とを含む。

この発明によれば、電力系統への逆潮流が禁止される直流電力源からの電力系統への逆潮流を防止しながら、負荷へ電力を供給することができる。

この発明の実施の形態によるパワーコンディショナが適用される電力供給システムの全体の構成を概略的に示す図である。 蓄電装置の残容量−電圧曲線を示す図である。 図１における双方向ＤＣ／ＡＣ変換器の詳細な構成を示す回路図である。 図３における制御部の制御構造を示す図である。 本実施の形態によるパワーコンディショナにおける自経路電流制御を実現するための制御処理手順を示したフローチャートである。 本実施の形態の変更例によるパワーコンディショナの構成を概略的に示す図である。 本実施の形態によるパワーコンディショナにおける単方向導通素子の構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明を繰返さない。

図１は、この発明の実施の形態によるパワーコンディショナが適用される電力供給システムの全体の構成を概略的に示す図である。

図１を参照して、電力供給システムは、直流電力源である太陽電池５０および蓄電装置６０と、これらの直流電力源および電力系統４０に結合されるパワーコンディショナ１００とから構成される。なお、太陽電池５０は、電力系統４０への逆潮流が許容される「第１の直流電力源」の代表例として示され、蓄電装置６０は、電力系統４０への逆潮流が禁止される「第２の直流電力源」の代表例として示される。

パワーコンディショナ１００は、電力系統４０に連系して、直流負荷７０に電力を供給する。具体的には、パワーコンディショナ１００は、太陽電池５０、蓄電装置６０または電力系統４０から供給される電力を、直流バス１０，２０を介して直流負荷７０に供給する。直流負荷７０は、一例として、家庭で使用される空調機、冷蔵庫、洗濯機、テレビ、照明装置またはパーソナルコンピュータのような電気機器である。あるいは、オフィスで使用されるコンピュータ、複写機またはファクシミリのような電気機器、または店舗で使用されるショーケースや照明装置のような電気機器であってもよい。

なお、本実施の形態による電力供給システムにおいては、太陽電池５０、蓄電装置６０、電力系統４０および直流負荷７０をそれぞれ１個ずつ設ける場合について説明するが、これらの個数には制限がなく、１個でも複数個であってもよい。

電力系統４０は、代表的には、単相３線式の商用交流電力系統である。単相３線式の商用交流電力系統は、中性線が抵抗を介して接地されており、中性線以外の２線（Ｒ相線ＲＬおよびＴ相線ＴＬ）を使用してＡＣ２００Ｖを供給する。

蓄電装置６０は、再充電可能な電力貯蔵要素であり、代表的にリチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池で構成される。蓄電装置６０は、複数の電池セルを直列接続して構成されており、一例として、定格電圧３８０Ｖを有している。

パワーコンディショナ１００は、上記のように電力系統４０から交流電力を受電（買電）する一方で、太陽電池５０が発電した電力を電力系統４０に逆潮流（売電）することも可能に構成されている。具体的には、パワーコンディショナ１００は、直流バス１０，２０と、ＤＣ／ＤＣ変換器２５と、双方向ＤＣ／ＡＣ変換器３０と、接続端子３２，３４と、給電端子３６とを備える。

直流バス１０は、太陽電池５０からＤＣ／ＤＣ変換器２５を介して供給される直流電力を伝達するための電力線であり、本願発明における「第１の直流バス」に対応する。直流バス１０は、電力線対である正母線ＰＬおよび負母線ＮＬで構成される。

接続端子３２は、太陽電池５０を直流バス１０に電気的に接続させるための「接続部」を構成する。接続端子３２に太陽電池５０が連結されることによって、太陽電池５０で発電された電力が直流バス１０に供給される。

ＤＣ／ＤＣ変換器２５は、太陽電池５０および直流バス１０の間に接続され、太陽電池５０から受ける直流電力を電圧変換して直流バス１０へ供給する。具体的には、ＤＣ／ＤＣ変換器２５は、太陽電池５０から最大の電力を取得できるような制御（最大電力追従制御）を行なう。なお、パワーコンディショナ１００内部にＤＣ／ＤＣ変換器２５を設ける構成に代えて、太陽電池５０およびＤＣ／ＤＣ変換器２５からなる太陽光発電システムが接続端子３２に連結されてもよい。

双方向ＤＣ／ＡＣ変換器３０は、直流バス１０および電力系統４０の間に接続される。双方向ＤＣ／ＡＣ変換器３０は、電力系統４０から受電（買電）した交流電力を直流電力に変換して直流バス１０へ供給する。また、双方向ＤＣ／ＡＣ変換器３０は、直流バス１０から受ける直流電力、すなわち、ＤＣ／ＤＣ変換器２５により電圧変換された太陽電池５０の発電電力を交流電力に変換して電力系統４０に逆潮流させる。

なお、図１では、買電時に双方向ＤＣ／ＡＣ変換器３０に流れる電流をＩｂｕｙと表記し、売電（逆潮流）時に双方向ＤＣ／ＡＣ変換器３０に流れる電流をＩｓｅｌｌと表記する。また、太陽電池５０からＤＣ／ＤＣ変換器２４を介して直流バス１０に供給される電力をＰｐｖと表記し、直流バス１０の電圧（双方向ＤＣ／ＡＣ変換器２５の直流側電圧に相当）をＶｄｃ１と表記する。

直流バス２０は、蓄電装置６０から供給される電力を伝達するための電力線であり、本願発明における「第２の直流バス」に対応する。図１に示す構成において、蓄電装置６０は、直流バス２０に「直結」されており、直流バス２０との間で電力の授受を行なう。ここで、「直結」とは、直流バス２０と蓄電装置６０との間に、ＤＣ／ＤＣ変換器のような電力変換器が介在していないことを意味する。したがって、直流バス２０の電圧は、蓄電装置６０の電源電圧とほぼ等しくなる。以下では、直流バス２０の電圧（蓄電装置６０の電源電圧に相当）をＶｄｃ２と表記する。

図２は、蓄電装置６０の残容量−電圧曲線を示す図である。図２において、横軸は蓄電装置６０の残容量（ＳＯＣ：State of Charge）（％）、縦軸は蓄電装置６０の電圧（Ｖ）を示している。なお、ＳＯＣは、満充電容量に対する現在の残容量を百分率（０〜１００％）で示したものである。図２を参照して、蓄電装置６０は、空状態（ＳＯＣが０％）のときに３４０Ｖとなり、ＳＯＣが２０％のときに３６０Ｖとなり、ＳＯＣが５０％のときに３８０Ｖ（定格電圧）となり、ＳＯＣが８０％のときに４００Ｖとなり、満充電状態（ＳＯＣが１００％）のときに４２０Ｖとなる。

図２に示す特性において、蓄電装置６０の電圧は、２０％から８０％までの広いＳＯＣの範囲で、３８０±２０Ｖの変動範囲が抑えられている。このように、ＳＯＣの変化に対して電圧の変化が比較的安定しているため、蓄電装置６０は高い電圧安定化能力を有している。電圧を安定化できるＳＯＣの範囲（たとえば２０％〜８０％）にＳＯＣを維持させるように、蓄電装置６０の充放電を制御することにより、蓄電装置６０は直流バス２０に対して安定した電圧を供給することができる。

給電端子３６は、直流バス２０から直流負荷７０に電力を供給するための「給電部」を構成する。給電端子３６に直流負荷７０が連結されることによって、直流バス２０からの直流電力が直流負荷７０に供給される。

パワーコンディショナ１００は、直流バス１０および直流バス２０の間に接続された単方向導通素子１５をさらに備える。単方向導通素子１５は、直流バス１０から直流バス２０へ電力を導通する一方で、直流バス２０から直流バス１０へ電力を非導通とするための素子である。単方向導通素子１５は、代表的には、アノードが直流バス１０に接続され、かつ、カソードが直流バス２０に接続されたダイオードＤ０により構成される。ダイオードＤ０の整流作用により、直流バス１０から直流バス２０への方向にしか電流が流れない。これにより、蓄電装置６０から放電される電力が直流バス２０を経由して直流バス１０へ流れるのが抑制される。

このように、直流バス１０から直流バス２０への方向にしか電力を通過させない（直流バス２０から直流バス１０への方向には電力を通過させない）単方向導通素子１５を配置したことにより、蓄電装置６０の放電電力が直流バス１０へ流れるのをハード的に遮断することができる。これにより、蓄電装置６０からの逆潮流を防止するための放電電力の制御が不要となり、簡易な構成で蓄電装置６０からの逆潮流を確実に防止できる。

また、直流負荷７０は直流バス２０から電力を受ける構成となっているため、蓄電装置６０からの逆潮流を防止しながら、直流負荷７０に対しては電力を供給し続けることが可能となる。

（双方向ＤＣ／ＡＣ変換器の構成）
上記のように、本実施の形態によるパワーコンディショナ１００は、太陽電池５０により発電された電力を、双方向ＤＣ／ＡＣ変換器３０を経由して電力系統４０に逆潮流させることができる。また、太陽電池５０の発電電力を、直流バス１０，２０を経由して直流負荷７０に供給することもできる。さらには、太陽電池５０の発電電力から直流負荷７０への供給電力を差し引いた電力を用いて蓄電装置６０を充電することもできる。

また、電力系統４０に逆潮流できる電力についての許容値が電力会社等によって設定された場合には、パワーコンディショナ１００は、この許容値を超えないように逆潮流する電力を制御する必要が生じる。

このような太陽電池５０の発電電力の融通は、双方向ＤＣ／ＡＣ変換器３０により行なわれる。以下、双方向ＤＣ／ＡＣ変換器３０の構成について説明する。

図３は、図１における双方向ＤＣ／ＡＣ変換器３０の詳細な構成を示す回路図である。
図３を参照して、双方向ＤＣ／ＡＣ変換器３０は、双方向インバータ３００と、連系リアクトル３１０，３１２と、直流電圧検出部３３０と、交流電圧検出部３３２と、自経路電流検出部３４０と、制御部３２０とを含む。

双方向インバータ３００は、制御部３２０からのスイッチング制御信号Ｓ１〜Ｓ４に応じて、直流バス１０および電力系統４０の間で双方向の電力変換を行なう。具体的には、双方向インバータ３００は、スイッチング素子であるトランジスタＱ１〜Ｑ４と、ダイオードＤ１〜Ｄ４とを含む。トランジスタＱ１，Ｑ２は、直流バス１０を構成する正母線ＰＬおよび負母線ＮＬの間に直列に接続される。トランジスタＱ１とトランジスタＱ２との中間点はＲ相線ＲＬに接続される。連系リアクトル３１０は、Ｒ相線ＲＬに介挿接続される。

トランジスタＱ３，Ｑ４は、正母線ＰＬおよび負母線ＮＬの間に直列に接続される。トランジスタＱ３とトランジスタＱ４との中間点はＴ相線ＴＬに接続される。連系リアクトル３１２は、Ｔ相線ＴＬに介挿接続される。

なお、トランジスタＱ１〜Ｑ４として、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いることができる。または、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）等の電力スイッチング素子を用いてもよい。

直流電圧検出部３３０は、正母線ＰＬと負母線ＮＬとの間に接続され、直流バス１０と双方向インバータ３００との間で授受される直流電力の電圧（直流バス１０の電圧）Ｖｄｃ１を検出し、その検出結果を制御部３２０へ出力する。交流電圧検出部３３２は、Ｒ相線ＲＬとＴ相線ＴＬとの間に接続され、双方向インバータ３００と電力系統４０との間で授受される交流電力の電圧Ｖａｃを検出し、その検出結果を制御部３２０へ出力する。

自経路電流検出部３４０は、Ｔ相線ＴＬに介挿され、双方向インバータ３００と電力系統４０との間で授受される交流電力の電流値（自経路電流）Ｉｓｅｌｌを検出し、その検出結果を制御部３２０へ出力する。なお、上述のように、自経路電流には、買電時の電流Ｉｂｕｙおよび売電（逆潮流）時の電流Ｉｓｅｌｌが含まれるが、本実施の形態では、電力系統４０へ逆潮流する場面における双方向ＤＣ／ＡＣ変換器３０の電力変換動作について説明するため、自経路電流をＩｓｅｌｌと表記する。

制御部３２０は、直流電圧検出部３３０から受けた直流電圧Ｖｄｃ１と、交流電圧検出部３３２から受けた交流電圧Ｖａｃと、自経路電流検出部３４０から受けた自経路電流Ｉｓｅｌｌとに基づいて、後述する制御構造にしたがって、トランジスタＱ１〜Ｑ４のオン・オフを制御するためのスイッチング制御信号Ｓ１〜Ｓ４を生成し、双方向インバータ３００を制御する。

図４は、図３における制御部３２０の制御構造を示す図である。
図４を参照して、制御部３２０は、制御目標値生成部４００と、スイッチング制御信号生成部４１０とを含む。

制御目標値生成部４００は、双方向ＤＣ／ＡＣ変換器３０の制御目標値として、売電（逆潮流）時の自経路電流Ｉｓｅｌｌの電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊を設定する。この電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊は、たとえば日時に応じて異なる電流値となるように事前に設定し、図示しない記憶部に格納しておくことができる。あるいは、電力会社等と制御部３２０との間で通信を行なうことによって、電力系統４０に逆潮流可能な最大電力である出力許容電力Ｐｍａｘと取得し、この取得した出力許容電力Ｐｍａｘに基づいて設定するようにしてもよい。なお、出力許容電力Ｐｍａｘに基づいて電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊を設定する場合、電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊は、出力許容電力Ｐｍａｘを交流電圧Ｖａｃで除算した値に設定される（Ｉｓｅｌｌ＊＝Ｐｍａｘ／Ｖａｃ）。

制御目標値生成部４００は、さらに、直流バス１０の電圧Ｖｄｃ１の制御下限値Ｖｄｃ１＊を設定する。この制御下限値Ｖｄｃ１＊は、直流バス２０の電圧Ｖｄｃ２以下の電圧に設定される（Ｖｄｃ１＊≦Ｖｄｃ２）。本実施の形態では、蓄電装置６０が直流バス２０に直結されるため、直流バス２０の電圧Ｖｄｃ２は、図２に示す蓄電装置６０の特性に従い、蓄電装置６０のＳＯＣに応じて３４０Ｖ〜４２０Ｖの電圧範囲で変動する。制御目標値生成部４００は、制御下限値Ｖｄｃ１＊を、この電圧範囲の下限値である３４０Ｖに設定する。これにより、直流バス１０の電圧Ｖｄｃ１が制御下限値Ｖｄｃ１＊に一致するように双方向インバータ３００における電力変換動作が制御されると、直流バス２０の電圧Ｖｄｃ２の変動にかかわらず、直流バス１０と直流バス２０との間には、Ｖｄｃ１≦Ｖｄｃ２の関係が成立する。

そして、上記のように、直流バス１０と直流バス２０との間にＶｄｃ１≦Ｖｄｃ２の関係が成立しているときには、単方向導通素子１５（図１）が非導通となることから、直流バス１０に供給された太陽電池５０の発電電力は、直流バス２０には流れず、すべて双方向ＤＣ／ＡＣ変換器３０に供給される。すなわち、太陽電池５０の発電電力を全て逆潮流させることができる。これによれば、蓄電装置６０からの電力によって直流負荷７０を駆動させながら、太陽電池５０の発電電力をすべて逆潮流（売電）することが可能となる。

その一方で、上述した電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊に従った自経路電流制御の実行中において、直流バス１０と直流バス２０との間に、Ｖｄｃ１＞Ｖｄｃ２の関係が成立しているときには、単方向導通素子１５が導通する。これにより、ＤＣ／ＤＣ変換器２５を介して太陽電池５０から直流バス１０に供給された電力を、直流バス２０を経由して蓄電装置６０および／または直流負荷７０に供給することができる。

ここで、図１に示した電力供給システムにおいては、気象条件によって太陽電池５０の発電電力Ｐｐｖが変動する。そのため、パワーコンディショナ１００においては、太陽電池５０の発電電力Ｐｐｖが出力許容電力Ｐｍａｘより小さくなる事態が生じ得る。このような事態において上述した電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊に従った自経路電流の制御を継続して行なうと、直流バス１０の電圧Ｖｄｃ１が低下し、制御下限値Ｖｄｃ１＊を下回る可能性がある。

制御目標値生成部４００は、上記のように直流バス１０の電圧Ｖｄｃ１が制御下限値Ｖｄｃ１＊を下回ったときには、電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊を低下させることによって、直流バス１０の電圧Ｖｄｃ１の低下を防止する。この電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊の低下は、出力許容電力Ｐｍａｘに基づいて設定された電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊（＝Ｐｍａｘ／Ｖａｃ）を初期値として、直流バス１０の電圧Ｖｄｃ１が制御下限値Ｖｄｃ１＊に一致するように、電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊を調整する。

詳細には、電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊を低下させると、電力系統４０に逆潮流する電力が減少するため、直流バス１０の電圧Ｖｄｃ１が増加する。このとき、直流バス１０の電圧Ｖｄｃ１が直流バス２０の電圧Ｖｄｃ２を超えると、単方向導通素子１５が導通するため、太陽電池５０の発電電力Ｐｐｖが直流バス２０を経由して蓄電装置６０および／または直流負荷７０に供給されてしまう可能性がある。そのため、本実施の形態では、直流バス１０の電圧Ｖｄｃ１を制御下限値Ｖｄｃ１＊に一致させることによって、直流バス１０と直流バス２０との間にＶｄｃ１≦Ｖｄｃ２の関係を成立させる。これにより、太陽電池５０の発電電力Ｐｐｖが出力許容電力Ｐｍａｘより小さくなった場合において、太陽電池５０の発電電力Ｐｐｖをすべて逆潮流させることができる。

このようにして、制御目標値生成部４００は、出力許容電力Ｐｍａｘに基づいて設定された電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊を初期値として、自経路電流制御の実行中における直流バス１０の電圧Ｖｄｃ１に応じて電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊を調整する。そして、制御目標値生成部４００は、調整された電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊をスイッチング制御信号生成部４１０へ出力する。

スイッチング制御信号生成部４１０は、制御信号生成部４００から電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊を受けると、自経路電流Ｉｓｅｌｌが電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊となるようにスイッチング制御信号Ｓ１〜Ｓ４を生成して、双方向インバータ３００を制御する。

具体的には、スイッチング制御信号生成部４１０は、少なくとも比例要素（Ｐ：proportional element）および積分要素（Ｉ：integral element）を含んで構成され、電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊に対する自経路電流Ｉｓｅｌｌの偏差に応じて操作信号を生成する。そして、スイッチング制御信号生成部４１０は、この操作信号に基づいて双方向インバータ３００のトランジスタＱ１〜Ｑ４のオンデューティーを規定するデューティー指令を生成すると、この生成したデューティー指令と搬送波とを比較することにより、スイッチング制御信号Ｓ１〜Ｓ４を生成する。

なお、スイッチング制御信号生成部４４０は、スイッチング制御信号Ｓ１〜Ｓ４の生成において、電力系統４０と双方向ＤＣ／ＡＣ変換器３０との間で授受される交流電力（交流電圧Ｖａｃ、交流電流（自経路電流）Ｉｓｅｌｌ）に対して、力率改善（Power Factor Correct）制御を実行する。具体的には、スイッチング制御信号生成部４４０は、交流電圧Ｖａｃの位相に交流電流Ｉｓｅｌｌの位相を合わせるように、交流電流Ｉｓｅｌｌの波形を補正することによって力率を改善する。

図５は、本実施の形態によるパワーコンディショナにおける自経路電流制御を実現するための制御処理手順を示したフローチャートである。図５に示すフローチャートによる処理は、一定の制御周期ごとに制御部３２０によって実行される。また、図５に示した各ステップは、制御部３２０によるソフトウェア処理および／またはハードウェア処理によって実現されるものとする。

図５を参照して、制御部３２０は、ステップＳ０１により、自経路電流Ｉｓｅｌｌの電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊を設定する。具体的には、制御部３２０は、電力会社等との間の通信により取得した出力許容電力Ｐｍａｘに基づいて設定した電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊を、電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊の初期値とする。あるいは、予め記憶部に格納された情報を参照することにより、図示しないタイマから送信される日時情報に基づいて電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊の初期値を設定する。

また、制御部３２０は、ステップＳ０２により、直流バス１０の電圧Ｖｄｃ１について制御下限値Ｖｄｃ１＊を設定する。上述したように、制御部３２０は、制御下限値Ｖｄｃ１＊を、直流バス２０の電圧範囲の下限値（３４０Ｖ）に設定する。

次に、制御部３２０は、自経路電流Ｉｓｅｌｌが電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊となるようにスイッチング制御信号Ｓ１〜Ｓ４を生成して、双方向インバータ３００を制御する。制御部３２０は、この自経路電流制御の実行中において、直流電圧検出部３３０により検出される直流バス１０の電圧Ｖｄｃ１を取得すると、この取得された直流バス１０の電圧Ｖｄｃ１と制御下限値Ｖｄｃ１＊とを比較し、その比較結果に応じて電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊を調整する。

具体的には、制御部３２０は、ステップＳ０３では、自経路電流検出部３４０により検出される自経路電流Ｉｓｅｌｌと、電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊とを比較する。自経路電流Ｉｓｅｌｌが電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊より小さい場合（ステップＳ０３のＹＥＳ判定時）には、制御部３２０は、ステップＳ０４により、自経路電流Ｉｓｅｌｌと電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊との電流偏差に基づいたスイッチング制御信号Ｓ１〜Ｓ４を生成する。このような制御を行なうことにより、自経路電流Ｉｓｅｌｌが増加する。

一方、自経路電流Ｉｓｅｌｌが電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊以上となる場合（ステップＳ０３のＮＯ判定時）には、制御部３２０は、ステップＳ０５により、自経路電流Ｉｓｅｌｌと電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊との電流偏差に基づいたスイッチング制御信号Ｓ１〜Ｓ４を生成する。このような制御を行なうことにより、自経路電流Ｉｓｅｌｌが増加する。

制御部３２０は、上記Ｓ０３〜Ｓ０５に示した電流制御の実行中に、直流電圧検出部３３０から直流バス１０の電圧Ｖｄｃ１を取得する。そして、制御部３２０は、ステップＳ０６により、直流バス１０の電圧Ｖｄｃ１が制御下限値Ｖｄｃ１＊以上であるか否かを判定する。直流バス１０の電圧Ｖｄｃ１が制御下限値Ｖｄｃ１＊より小さい場合（ステップＳ０６のＮＯ判定時）には、ステップＳ０９に進み、電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊を所定量ΔＩだけ減少させるように電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊を調整する。この所定量ΔＩは、双方向ＤＣ／ＡＣ変換器３０における電流制御の制御速度などを考慮して定められる。双方向ＤＣ／ＡＣ変換器３０においては、調整後の電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊に従って電力変換動作が制御されることにより、電力系統４０に逆潮流する電力が減少し、直流バス１０の電圧Ｖｄｃ１が増加する。

これに対して、直流バス１０の電圧Ｖｄｃ１が制御下限値Ｖｄｃ１以上である場合（ステップＳ０６のＹＥＳ判定時）には、制御部３２０は、さらにステップＳ０７により、電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊がステップＳ０１で設定されたＩｓｅｌｌ＊の初期値より小さいか否かを判定する。電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊が初期値より小さい場合（ステップＳ０７のＹＥＳ判定時）には、制御部３２０は、電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊を初期値に戻すための復帰処理として、電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊を所定量ΔＩだけ増加させる。

一方、電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊が初期値と等しい場合（ステップＳ０７のＮＯ判定時）には、制御部３２０は、上述した復帰処理を行なわず、処理をステップＳ０３に戻す。

上記のステップＳ０６〜Ｓ０８に示した処理を行なうことにより、自経路電流制御の実行中に直流バス１０の電圧Ｖｄｃ１が制御下限値Ｖｄｃ１＊より低くなった場合、電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊を減少させることによって直流バス１０の電圧Ｖｄｃ１が増加する。そして、直流バス１０の電圧Ｖｄｃ１が制御下限値Ｖｄｃ１＊に到達すると、電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊を初期値に戻すために増加させる。なお、電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊を増加させることによって電圧Ｖｄｃ１が制御下限値Ｖｄｃ１＊を下回ったときには、再び電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊を減少させる。このように、直流バス１０の電圧Ｖｄｃ１に応じて電流目標値Ｉｓｅｌｌ＊を初期値に対して増減させることにより、電圧Ｖｄｃ１を制御下限値Ｖｄｃ１＊に一致させる。

このように、本実施の形態によるパワーコンディショナによれば、直流バス１０および直流バス２０の間に接続された単方向導通素子１５（ダイオードＤ０）によって、蓄電装置６０からの逆潮流をハード的に遮断しつつ、直流負荷７０に対しては直流バス２０から電力を供給し続けることができる。

また、上記の特許文献１および２に記載されるように逆潮流防止制御を行なう構成では、負荷が急変した場合などにおいて制御の遅れが生じてしまい、蓄電装置からの逆潮流を確実に防止できなくなる虞がある。これに対して、本実施の形態によるパワーコンディショナによれば、蓄電装置からの逆潮流をハード的に遮断するため、確実に蓄電装置からの逆潮流を防止することができる。

さらに、本実施の形態によるパワーコンディショナによれば、双方向ＤＣ／ＡＣ変換器３０における電力変換動作によって直流バス１０と直流バス２０との間にＶｄｃ１≦Ｖｄｃ２の関係を成立させることにより、単方向導通素子１５を非導通にできる。これにより、直流バス１０に供給された太陽電池５０の発電電力を全て逆潮流させることができる。

（パワーコンディショナの構成例）
上記の実施の形態では、電力系統４０への逆潮流が許容される「第１の直流電力源」として太陽電池５０を示すとともに、電力系統４０への逆潮流が禁止される「第２の直流電力源」として蓄電装置６０を示したが、これらの直流電力源は上述の例に限定されるものではない。たとえば、「第１の直流電力源」には風力発電装置も含まれる。また、「第２の直流電力源」には燃料電池も含まれる。

また、上記の実施の形態では、「第２の直流電力源」である蓄電装置６０を直流バス２０に直結させる例を示したが、蓄電装置６０と直流バス２０との間にＤＣ／ＤＣ変換器を接続した構成（図５参照）についても、本発明を適用することができる。

さらに、上記の実施の形態では、「第１の直流電力源」および「第２の直流電力源」をそれぞれ１個ずつ設ける例を示したが、図５に示すように、複数個設けても同様の効果を得ることができる。

図６は、本実施の形態の変更例によるパワーコンディショナの構成を概略的に示す図である。

図６を参照して、本変更例によるパワーコンディショナ１１０は、図１に示すパワーコンディショナ１００において、直流バス１０に対して並列に接続された複数（たとえば２個）のＤＣ／ＤＣ変換器２５と、直流バス２０に対して並列に接続された複数（たとえば２個）のＤＣ／ＤＣ変換器３５とを設けたものである。

ＤＣ／ＤＣ変換器２５、双方向ＤＣ／ＡＣ変換器３０、および単方向導通素子１５の構成は、図１と同様であるので詳細な説明は繰り返さない。複数のＤＣ／ＤＣ変換器３５はそれぞれ、対応する蓄電装置６０と直流バス２０との間で双方向の電圧変換を行なう。なお、図１と同様に、ＤＣ／ＤＣ変換器３５を介さずに個々の蓄電装置６０を直流バス２０に直結させる構成としてもよい。

図６に示す構成においても、直流バス１０および直流バス２０の間に接続された単方向導通素子１５（ダイオードＤ０）によって、複数の蓄電装置６０からの逆潮流がハード的に遮断することができる。また、直流バス１０の電圧Ｖｄｃ１が直流バス２０の電圧Ｖｄｃ２よりも低くなるように、双方向ＤＣ／ＡＣ変換器３０における電力変換を制御することにより、直流負荷７０に対しては複数の蓄電装置６０から電力を供給しつつ、複数の太陽電池５０の発電電力をすべて電力系統４０に逆潮流させることができる。さらには、電力会社等によって電力系統４０に逆潮流する電力について許容値が設定された場合には、この許容値を超えない範囲で複数の太陽電池５０によって発電された電力を逆潮流させることができる。

（単方向導通素子の構成）
上記の実施の形態では、単方向導通素子１５として、アノードが直流バス１０に接続され、かつ、カソードが直流バス２０に接続されたダイオードＤ０を用いる例を示したが、図７に示すように、直流バス１０および直流バス２０の電気的接続および遮断が可能に構成されたスイッチＳＷを用いる構成としてもよい。

詳細には、図７を参照して、スイッチＳＷは、直流バス１０および直流バス２０の間に接続され、双方向ＤＣ／ＡＣ変換器３０からの制御信号ＣＮＴに応じてオン・オフが制御される。双方向ＤＣ／ＡＣ変換器３０では、制御部３２０（図３）は、直流電圧検出部１６により検出される直流バス２０の電圧Ｖｄｃ２と、直流電圧検出部３３０により検出される直流バスＶｄｃ１とを比較する。そして、電圧Ｖｄｃ１≧電圧Ｖｄｃ２のときには、制御部３２０は、スイッチＳＷをオンするための制御信号ＣＮＴを生成する。一方、電圧Ｖｄｃ２＜電圧Ｖｄｃ１のときには、制御部３２０は、スイッチＳＷをオフするための制御信号ＣＮＴを生成する。これにより、直流バス１０から直流バス２０への方向にしか電力を通過させない（直流バス２０から直流バス１０への方向には電力を通過させない）という整流作用が実現される。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０，２０ 直流バス、１５ 単方向導通素子、２５，３５ ＤＣ／ＤＣ変換器、３０ 双方向ＤＣ／ＡＣ変換器、３２，３４ 接続端子、３６ 給電端子、４０ 電力系統、５０ 太陽電池、６０ 蓄電装置、７０ 直流負荷、１００，１１０ パワーコンディショナ、３００ 双方向インバータ、３１０，３１２ 連系リアクトル、３２０ 制御部、１６，３３０ 直流電圧検出部、３３２ 交流電圧検出部、３４０ 自経路電流検出部、４００ 制御目標値生成部、４１０ スイッチング制御信号生成部、Ｄ０〜Ｄ４ ダイオード、Ｑ１〜Ｑ４ トランジスタ、ＳＷ スイッチ。

Claims (7)

1. 電力系統および複数の直流電力源の間に結合され、それぞれの電力を制御するためのパワーコンディショナであって、
   前記複数の直流電力源は、
   前記電力系統への逆潮流が許容される第１の直流電力源と、
   前記電力系統への逆潮流が禁止される第２の直流電力源とを含み、
   前記第１の直流電力源から供給される直流電力を伝達するための第１の直流バスと、
   前記第１の直流バスおよび前記電力系統の間で双方向に電力変換する電力変換装置と、
   前記第２の直流電力源から供給される直流電力を伝達するための第２の直流バスと、
   前記第２の直流バスから直流負荷に電力を供給するための給電部と、
   前記第１の直流バスから前記第２の直流バスへ電力を導通する一方で、前記第２の直流バスから前記第１の直流バスへ電力を非導通とするように、前記第１の直流バスおよび前記第２の直流バスの間に接続された単方向導通素子とを備え、
   前記単方向導通素子は、前記第１の直流バスの電圧が前記第２の直流バスの電圧より大きいときに前記第１の直流バスから前記第２の直流バスへ電力を導通する一方で、前記第１の直流バスの電圧が前記第２の直流バスの電圧以下となるときに前記第１の直流バスから前記第２の直流バスへ電力を非導通とするように構成され、
   前記パワーコンディショナは、前記第１の直流バスの電圧が前記第２の直流バスの電圧以下となるように、前記電力変換装置における電力変換を制御するための第１の電力変換制御手段をさらに備える、パワーコンディショナ。
2. 前記電力変換装置に流れる自経路電流が制御目標値になるように前記電力変換装置における電力変換を制御するための第２の電力変換制御手段と、
   前記第２の電力変換制御手段の実行中に、前記第１の直流バスの電圧が前記第２の直流バスの電圧以下となるように、前記制御目標値を調整するための調整手段をさらに備える、請求項１に記載のパワーコンディショナ。
3. 前記単方向導通素子は、アノードが前記第１の直流バスに接続され、かつ、カソードが前記第２の直流バスに接続されたダイオードである、請求項１または２に記載のパワーコンディショナ。
4. 前記第１の直流電力源を前記第１の直流バスに電気的に接続させるための少なくとも１つの第１の接続部と、
   前記第２の直流電力源を前記第２の直流バスに電気的に接続させるための少なくとも１つの第２の接続部とをさらに備える、請求項１に記載のパワーコンディショナ。
5. 前記第２の直流電力源は、前記第２の接続部を介して前記第２の直流バスに直結された、再充電可能な蓄電装置である、請求項４に記載のパワーコンディショナ。
6. 前記第１の直流電力源からの直流電力を電圧変換して前記第１の直流バスに出力するための第１の電圧変換部と、
   前記第２の直流電力源からの直流電力を電圧変換して前記第２の直流バスに出力するための第２の電圧変換部とをさらに備える、請求項１から５のいずれか１項に記載のパワーコンディショナ。
7. 複数の直流電力源と、
   電力系統および前記複数の直流電力源の間に結合され、それぞれの電力を制御するためのパワーコンディショナとを備え、
   前記複数の直流電力源は、
   前記電力系統への逆潮流が許容される第１の直流電力源と、
   前記電力系統への逆潮流が禁止される第２の直流電力源とを含み、
   前記パワーコンディショナは、
   前記第１の直流電力源から供給される直流電力を伝達するための第１の直流バスと、
   前記第１の直流バスおよび前記電力系統の間で双方向に電力変換する電力変換装置と、
   前記第２の直流電力源から供給される直流電力を伝達するための第２の直流バスと、
   前記第２の直流バスから直流負荷に電力を供給するための給電部と、
   前記第１の直流バスから前記第２の直流バスへ電力を導通する一方で、前記第２の直流バスから前記第１の直流バスへ電力を非導通とするように、前記第１の直流バスおよび前記第２の直流バスの間に接続された単方向導通素子とを含み、
   前記単方向導通素子は、前記第１の直流バスの電圧が前記第２の直流バスの電圧より大きいときに前記第１の直流バスから前記第２の直流バスへ電力を導通する一方で、前記第１の直流バスの電圧が前記第２の直流バスの電圧以下となるときに前記第１の直流バスから前記第２の直流バスへ電力を非導通とするように構成され、
   前記パワーコンディショナは、前記第１の直流バスの電圧が前記第２の直流バスの電圧以下となるように、前記電力変換装置における電力変換を制御するための電力変換制御手段をさらに含む、電力供給システム。

Images