JP6027147B2 - パワーコンディショナおよびパワーコンディショナの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、発電設備と商用電源系統（系統）とを連系させるパワーコンディショナおよびパワーコンディショナの制御方法に関するものである。

太陽光パネル等の発電設備を備えた発電システムにおいては、発電設備と系統とを連系させるためのパワーコンディショナを備えている。このようなパワーコンディショナとして、蓄電池用の直流出力部を備え、発電設備や系統からの電力によって蓄電池を充電し、停電や系統電圧の低下等の系統異常発生時に、蓄電池から放電して電力を維持するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図４は、従来のパワーコンディショナの構成を示すブロック図である。このパワーコンディショナ５０は、直流入力部５１、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２、双方向インバータ５３、交流入出力部５４、直流出力部５５、および全体を制御する制御部５６を備えている。図４において、太陽光パネル等の発電設備６１からの直流（ＤＣ）の出力は、直流入力部５１を経てＤＣ／ＤＣコンバータ５２に入力されて、所要の直流電圧に変換される。

双方向インバータ５３は、発電設備６１の発電量に基づいて、制御部５６によりＤＣ／ＡＣ変換またはＡＣ／ＤＣ変換が制御される。そして、発電設備６１の発電量が所定の発電量を満たしている場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２の直流出力が、双方向インバータ５３により交流（ＡＣ）に変換されて交流入出力部５４に出力される。これにより、双方向インバータ５３からの交流出力は、交流負荷６２に給電されるとともに、系統連系スイッチ６４を経て系統６５に逆潮流される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２の直流出力は、直流出力部５５にも出力される。これにより、直流出力部５５に接続された蓄電池６３が充電される。

これに対し、発電設備６１の発電量が所定の発電量に満たない場合は、系統６５からの交流（ＡＣ）が、系統連系スイッチ６４を経て交流負荷６２に給電されるとともに、交流入出力部５４に入力される。そして、交流入出力部５４に入力された交流は、双方向インバータ５３により直流に変換されて直流出力部５５に出力される。これにより、蓄電池６３が充電される。したがって、蓄電池６３は、発電設備６１あるいは系統６５を充電電源として充電されることになる。

また、制御部５６は、停電や系統電圧の低下等の系統異常発生を検出すると、系統連系スイッチ６４をＯＦＦして発電設備６１を系統６５から解列する。そして、制御部５６は、発電設備６１あるいは蓄電池６３を電源として、交流負荷６２に交流電力を給電するように制御する。

特開２００３−１８９４７７号公報

ところで、図４に示したようなパワーコンディショナにおいて、直流出力部５５に蓄電池６３に代えて直流負荷を接続し、発電設備６１から得られる直流出力をＤＣ／ＤＣコンバータ５２により昇圧して、直流負荷を稼動することが容易に想定される。しかも、図４の構成においては、双方向インバータ５３により系統６５から直流出力を得ることができるので、発電設備６１が例えば太陽光パネルの場合であっても、夜間にも直流出力を得ることが可能となる。

しかしながら、かかる構成においては、系統６５により直流負荷を稼動する場合、必ず双方向インバータ５３により系統６５の交流をＡＣ／ＤＣ変換することになる。そのため、稼動する直流負荷によっては、電力変換効率が問題となる場合がある。すなわち、直流負荷には、脈流のない直流電圧でのみ使用可能で、脈流電圧の使用が禁止されているタイプ、脈流のない直流電圧でのみ使用可能であるが、脈流電圧でも故障しないタイプ、脈流のない直流電圧および脈流電圧のどちらも使用可能なタイプ、等の種々のタイプがある。そのため、後者の二つのタイプのように、脈流電圧でも使用可能な直流負荷の場合は、ＡＣ／ＤＣ変換による電力損失が問題となる場合がある。

また、解列が発生した場合、直流負荷の電源は、発電設備６１のみとなる。そのため、発電設備６１の出力変動が大きい場合は、直流負荷に十分な電力が供給されなくなることがある。例えば、発電設備６１が太陽光パネルの場合は、夜間に解列が生じると、直流出力が得られないため、直流負荷を稼動できなくなる。

したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、直流負荷を効率よく、安定して稼動可能なパワーコンディショナおよびパワーコンディショナの制御方法を提供することにある。

上記目的を達成する本発明に係るパワーコンディショナは、
発電設備からの発電に基づく直流出力を交流変換するＤＣ／ＡＣ変換または商用電源系統からの交流を直流変換するＡＣ／ＤＣ変換を選択的に実行する双方向インバータと、
該双方向インバータを前記商用電源系統に接続する系統連系スイッチと、
該系統連系スイッチの前記商用電源系統側に接続されて前記商用電源系統からの交流を整流する整流部と、
前記発電設備からの発電に基づく直流出力または前記双方向インバータの直流出力と前記整流部の脈流の全波整流出力とのいずれかを直流負荷に給電するためのＤＣ出力スイッチと、
前記直流負荷へ給電する動作モードを記憶する記憶部と、
該記憶部に記憶された動作モードに従って、前記系統連系スイッチおよび前記ＤＣ出力スイッチを制御して、前記双方向インバータの直流出力と、前記発電設備からの発電に基づく直流出力と、前記整流部の脈流の全波整流出力とのうちのいずれか一つの出力を選択して前記ＤＣ出力スイッチを経て前記直流負荷に給電する制御部と、
を備えることを特徴とするものである。

前記記憶部は複数の動作モードを記憶し、
前記複数の動作モードは、前記発電設備の発電状態および解列要因状態に応じた、前記系統連系スイッチ、前記ＤＣ出力スイッチ、および前記ＤＣ出力スイッチに給電する出力の選択の状態を含む、
ことを特徴とするものである。
前記制御部は、前記発電設備の前記発電状態および前記解列要因状態の監視結果に基づいて、前記記憶部に記憶されている前記複数の動作モードの中から前記直流負荷に応じて設定される動作モードに従って、前記系統連系スイッチ、前記ＤＣ出力スイッチ、および前記ＤＣ出力スイッチに給電する出力の選択を制御する、
ことを特徴とするものである。
さらに上記目的を達成する本発明に係るパワーコンディショナの制御方法は、
発電設備からの発電に基づく直流出力を交流変換するＤＣ／ＡＣ変換または商用電源系統からの交流を直流変換するＡＣ／ＤＣ変換を選択的に実行する双方向インバータと、
該双方向インバータを前記商用電源系統に接続する系統連系スイッチと、
該系統連系スイッチの前記商用電源系統側に接続されて前記商用電源系統からの交流を整流する整流部と、
前記発電設備からの発電に基づく直流出力または前記双方向インバータの直流出力と前記整流部の脈流の全波整流出力とのいずれかを直流負荷に給電するためのＤＣ出力スイッチと、
前記直流負荷へ給電する動作モードを記憶する記憶部と、を備えるパワーコンディショナの制御方法であって、
該記憶部に記憶された動作モードに従って、前記系統連系スイッチおよび前記ＤＣ出力スイッチを制御するステップと、
前記双方向インバータの直流出力と、前記発電設備からの発電に基づく直流出力と、前記整流部の脈流の全波整流出力とのうちのいずれか一つの出力を選択して前記ＤＣ出力スイッチを経て前記直流負荷に給電する制御を行なうステップと、
を含むことを特徴とするものである。
前記パワーコンディショナの制御方法において、前記記憶部は複数の動作モードを記憶し、
前記複数の動作モードは、前記発電設備の発電状態および解列要因状態に応じた、前記系統連系スイッチ、前記ＤＣ出力スイッチ、および前記ＤＣ出力スイッチに給電する出力の選択の状態を含む、
ことを特徴とするものである。
前記パワーコンディショナの制御方法において、前記発電設備の前記発電状態および前記解列要因状態の監視結果に基づいて、前記記憶部に記憶されている前記複数の動作モードの中から前記直流負荷に応じて設定される動作モードに従って、前記系統連系スイッチ、前記ＤＣ出力スイッチ、および前記ＤＣ出力スイッチに給電する出力の選択を制御するステップをさらに含む
ことを特徴とするものである。

本発明によると、直流負荷を効率よく、しかも安定して稼動することが可能となる。

本発明の一実施の形態に係るパワーコンディショナの要部の構成を示すブロック図である。 図１の記憶部に記憶する動作モード例と各スイッチの状態とを示す図である。 図２の動作モードと負荷タイプ例との関係を示す図である。 従来のパワーコンディショナの構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係るパワーコンディショナの要部の構成を示すブロック図である。このパワーコンディショナ１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１、双方向インバータ１２、系統連系スイッチ１３、整流部１４、選択スイッチ１５、ＤＣ出力スイッチ１６、記憶部１７、および制御部１８を備える。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は、太陽光パネル、風力発電機、燃料電池や自家発電機等の発電設備２１からの直流（ＤＣ）を入力し、その入力電圧を所要の直流電圧に変換する。このＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力は、双方向インバータ１２に入力されるとともに、選択スイッチ１５の一方の選択接点ａに供給される。

双方向インバータ１２は、制御部１８の制御により、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１からの直流入力を選択的にＤＣ／ＡＣ変換して、系統連系スイッチ１３を経て商用電源系統（系統）２２へ逆潮流する。また、双方向インバータ１２は、制御部１８の制御により、系統２２から系統連系スイッチ１３を経て入力される交流（ＡＣ）を選択的にＡＣ／ＤＣ変換して、選択スイッチ１５の選択接点ａに供給する。

系統連系スイッチ１３は、制御部１８によりＯＮ（閉成）／ＯＦＦ（開成）制御されるリレースイッチで構成される。この系統連系スイッチ１３は、系統２２の電圧が閾値以下になったときや、パワーコンディショナ１０の内部温度が閾値以上に上昇したとき等、系統連系を解列しなければならない解列要因が発生した場合にＯＦＦとなる。これにより、発電設備２１が系統２２から解列される。

整流部１４は、系統２２からの交流を直流に整流するもので、例えば、一つのダイオードを有する半波整流回路やダイオードブリッジを有する全波整流回路により構成される。ここでは、整流部１４は、全波整流回路からなるものとする。この整流部１４から出力される脈流の整流出力は、選択スイッチ１５の他方の選択接点ｂに供給される。

選択スイッチ１５は、選択接点ａ，ｂを有するリレースイッチからなり、制御部１８により制御されて選択接点ａ，ｂのいずれかを選択し、その選択した直流出力をＤＣ出力スイッチ１６に供給する。ＤＣ出力スイッチ１６は、制御部１８により制御されるリレースイッチからなり、供給される直流を、接続された直流負荷２３に選択的に給電する。

記憶部１７は、直流負荷２３へ給電する動作モードを記憶する。本実施の形態では、当該パワーコンディショナ１０に接続可能な直流負荷の後述する各種の負荷タイプに対応するため複数の動作モードを記憶する。各動作モードは、発電設備２１の発電状態および解列要因状態に応じた、系統連系スイッチ１３、選択スイッチ１５およびＤＣ出力スイッチ１６の状態を含んでいる。

制御部１８は、例えば、発電設備２１の発電状態を示すＤＣ／ＤＣコンバータ１１の入力を監視するとともに、発電設備２１の解列要因である系統２２の系統電圧や、図示しない温度センサにより当該パワーコンディショナ１０の内部温度を監視する。そして、制御部１８は、上記の発電状態および解列要因の監視結果に基づいて、記憶部１７に記憶されている複数の動作モードの中から直流負荷２３に応じて設定される動作モードに従って、系統連系スイッチ１３、選択スイッチ１５およびＤＣ出力スイッチ１６を制御する。

図２は、記憶部１７に記憶される動作モード例と各スイッチの状態とを示す図である。本実施の形態では、発電設備２１が太陽光パネルの場合を想定し、動作モードとして、モード１、モード２およびモード３の三つを記憶している。また、図２の「異常」は、系統２２の電圧が閾値以下に低下したときや、当該パワーコンディショナ１０の内部温度が閾値以上に上昇したときなど、解列要因の発生状態を指している。

モード１では、異常がなければ、系統連系スイッチ１３およびＤＣ出力スイッチ１６をともにＯＮとし、選択スイッチ１５は選択接点ａ側に接続する。これにより、直流負荷２３には、発電設備２１の発電量に応じて、該発電量が直流負荷２３の稼動に要する所定値を超えている場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１からの脈流のない直流が給電される。これに対し、発電設備２１の発電量が所定値に満たない場合は、双方向インバータ１２からの系統電力に基づく脈流のない直流が供給される。また、異常が発生した場合は、系統連系スイッチ１３およびＤＣ出力スイッチ１６をともにＯＦＦとし、選択スイッチ１５は直前の状態のままとする。これにより、直流負荷２３への電力供給は遮断される。

モード２では、異常がなければ、系統連系スイッチ１３およびＤＣ出力スイッチ１６をともにＯＮとし、選択スイッチ１５を選択接点ａ側に接続する。これにより、直流負荷２３には、上述したように、発電設備２１の発電量に応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１からの発電設備２１の発電電力に基づく脈流のない直流、あるいは、双方向インバータ１２からの系統電力に基づく脈流のない直流が供給される。また、異常が発生した場合は、系統連系スイッチ１３をＯＦＦ、選択スイッチ１５を選択接点ｂ側、ＤＣ出力スイッチ１６をＯＮとする。これにより、異常時には、直流負荷２３に整流部１４からの脈流の全波整流出力が供給される。

モード３では、異常がなく、かつ、発電設備２１の発電量が所定値を超える場合、系統連系スイッチ１３およびＤＣ出力スイッチ１６をともにＯＮとし、選択スイッチ１５を選択接点ａ側に接続する。これにより、直流負荷２３には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１からの発電設備２１の発電電力に基づく脈流のない直流が供給される。これに対し、異常が発生した場合や、異常はないが発電設備２１の発電量が所定値を満たない場合は、系統連系スイッチ１３をＯＦＦ、選択スイッチ１５を選択接点ｂ側、ＤＣ出力スイッチ１６をＯＮとする。これにより、これらの場合、直流負荷２３には、整流部１４からの脈流の全波整流出力が供給される。

図３は、図２の動作モードと負荷タイプ例との関係を示す図である。図３では、接続される直流負荷２３の負荷タイプとして、タイプＡ、タイプＢおよびタイプＣの三つを示している。タイプＡは、脈流のない直流電圧でのみ使用可能で、脈流電圧の使用が禁止されている直流負荷である。タイプＢは、脈流のない直流電圧でのみ使用可能であるが、脈流電圧でも故障しない直流負荷である。タイプＣは、脈流のない直流電圧および脈流電圧のどちらでも使用可能な直流負荷である。なお、図３には、ＤＣ出力スイッチ１６から出力されるＤＣ出力電圧波形も示している。

図３に示すように、モード２およびモード３では、タイプＡの直流負荷が禁止となる場合がある。したがって、タイプＡの直流負荷を使用する場合は、モード１を選択する必要がある。ただし、モード１では、異常発生時に直流負荷への電力供給が行われないので、例えばパワーコンディショナ１０の温度が上昇して連系解列した場合などには、直流負荷が稼動できないことになる。そのため、タイプＡの直流負荷を使用しないのであれば、モード２またはモード３を選択するのが望ましい。

タイプＣの直流負荷は、モード２およびモード３ともに全状態で動作する。したがって、タイプＣでは、モード２でもモード３でも構わない。しかし、モード３は、夜間など発電量が所定値に満たない場合、双方向インバータ１２を使用しないので、電力変換効率が高い。よって、タイプＣの直流負荷のみを使用するのであれば、モード３が望ましい。

タイプＢの直流負荷は、モード２およびモード３において、ともに動作する場合と動作しない場合とがある。つまり、モード２では、異常発生の場合に動作せず、モード３では、異常発生の場合のほか、発電量が所定値に満たない場合も動作しない。異常状態は頻繁には発生しないが、発電設備２１が太陽光パネルの場合、１日の中で発電しない時間は必ずあるので、タイプＢの直流負荷を１日中稼動したい場合は、モード２を選択するのが望ましい。

以上を纏めると、タイプＡの直流負荷が一つでも使用される場合は、モード１を設定し、タイプＢの直流負荷とタイプＣの直流負荷とが混在して使用される場合において、タイプＢの夜間使用を優先させる場合はモード２を設定し、電力変換効率を優先させる場合はモード３を設定する。

ここで、動作モードは、例えば、当該パワーコンディショナ１０に操作入力部を設け、該操作部からユーザにより設定してもよいし、当該パワーコンディショナ１０がＨＥＭＳ（Home Energy Management System）に接続される場合は、ＨＥＭＳの操作入力部を介してユーザにより設定してもよい。また、ユーザにより入力される負荷タイプを制御部１８で受信して、あるいは、直流負荷自身が、接続時に負荷タイプの情報送信機能を有する場合は、その情報を制御部１８で受信して、制御部１８において動作モードを自動的に設定してもよい。なお、特定の直流負荷２３のみを接続する場合は、当該直流負荷２３の負荷タイプに応じた動作モードのみを記憶部１７に記憶してもよい。

このように、本実施の形態においては、制御部１８において、発電設備２１の発電状態および解列要因を監視し、その監視結果に基づいて、記憶部１７に記憶されている直流負荷２３に対応する動作モードに従って、系統連系スイッチ１３、選択スイッチ１５およびＤＣ出力スイッチ１６を制御するので、直流負荷２３を効率よく、しかも安定して稼動することができる。しかも、整流部１４の整流出力は、脈流出力でよいので、簡単に構成することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、図１において、発電設備２１から所要の直流電圧が出力される場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１を省略することができる。また、双方向インバータ１２と系統連系スイッチ１３との間に交流負荷を接続して、発電設備２１または系統２２により交流負荷に給電することも可能である。

また、上記実施の形態においては、選択スイッチ１５を設けた場合について説明したが、制御部１８が直流出力または整流出力のいずれをＤＣ出力スイッチ１６に給電する出力とするのかを選択するように制御するだけでもよく、選択スイッチ１５を削除することが可能である。具体的には、双方向インバータ１２の作る直流電圧を系統２２からの電圧のピークより高い状態にすることで、選択スイッチ１５を削除しても（選択スイッチ１５のａ，ｂの両方が接続された状態であっても）、全波整流側の影響を受けないため、ＤＣ出力スイッチ１６の入力電圧は、双方向インバータ１２をゲートブロックすれば全波整流の出力になり、ＰＷＭ制御を行えば直流電圧の出力になる。
このように、選択スイッチ１５を削除した構成とした場合、記憶部１７に図２に示す選択スイッチ１５の選択接点を記憶するのではなく、制御部１８が直流出力と整流出力のいずれをＤＣ出力スイッチ１６に給電する出力とするのかを選択するのかを記憶し、制御部１８に送信するようにすればよい。

１０ パワーコンディショナ
１１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１２ 双方向インバータ
１３ 系統連系スイッチ
１４ 整流部
１５ 選択スイッチ
１６ ＤＣ出力スイッチ
１７ 記憶部
１８ 制御部
２１ 発電設備
２２ 商用電源系統（系統）
２３ 直流負荷

Claims (6)

1. 発電設備からの発電に基づく直流出力を交流変換するＤＣ／ＡＣ変換または商用電源系統からの交流を直流変換するＡＣ／ＤＣ変換を選択的に実行する双方向インバータと、
   該双方向インバータを前記商用電源系統に接続する系統連系スイッチと、
   該系統連系スイッチの前記商用電源系統側に接続されて前記商用電源系統からの交流を整流する整流部と、
   前記発電設備からの発電に基づく直流出力または前記双方向インバータの直流出力と前記整流部の脈流の全波整流出力とのいずれかを直流負荷に給電するためのＤＣ出力スイッチと、
   前記直流負荷へ給電する動作モードを記憶する記憶部と、
   該記憶部に記憶された動作モードに従って、前記系統連系スイッチおよび前記ＤＣ出力スイッチを制御して、前記双方向インバータの直流出力と、前記発電設備からの発電に基づく直流出力と、前記整流部の脈流の全波整流出力とのうちのいずれか一つの出力を選択して前記ＤＣ出力スイッチを経て前記直流負荷に給電する制御部と、
   を備えることを特徴とするパワーコンディショナ。
2. 前記記憶部は複数の動作モードを記憶し、
   前記複数の動作モードは、前記発電設備の発電状態および解列要因状態に応じた、前記系統連系スイッチ、前記ＤＣ出力スイッチ、および前記ＤＣ出力スイッチに給電する出力の選択の状態を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載のパワーコンディショナ。
3. 前記制御部は、前記発電設備の前記発電状態および前記解列要因状態の監視結果に基づいて、前記記憶部に記憶されている前記複数の動作モードの中から前記直流負荷に応じて設定される動作モードに従って、前記系統連系スイッチ、前記ＤＣ出力スイッチ、および前記ＤＣ出力スイッチに給電する出力の選択を制御する、
   ことを特徴とする請求項２に記載のパワーコンディショナ。
4. 発電設備からの発電に基づく直流出力を交流変換するＤＣ／ＡＣ変換または商用電源系統からの交流を直流変換するＡＣ／ＤＣ変換を選択的に実行する双方向インバータと、
   該双方向インバータを前記商用電源系統に接続する系統連系スイッチと、
   該系統連系スイッチの前記商用電源系統側に接続されて前記商用電源系統からの交流を整流する整流部と、
   前記発電設備からの発電に基づく直流出力または前記双方向インバータの直流出力と前記整流部の脈流の全波整流出力とのいずれかを直流負荷に給電するためのＤＣ出力スイッチと、
   前記直流負荷へ給電する動作モードを記憶する記憶部と、を備えるパワーコンディショナの制御方法であって、
   該記憶部に記憶された動作モードに従って、前記系統連系スイッチおよび前記ＤＣ出力スイッチを制御するステップと、
   前記双方向インバータの直流出力と、前記発電設備からの発電に基づく直流出力と、前記整流部の脈流の全波整流出力とのうちのいずれか一つの出力を選択して前記ＤＣ出力スイッチを経て前記直流負荷に給電する制御を行なうステップと、
   を含むことを特徴とするパワーコンディショナの制御方法。
5. 前記記憶部は複数の動作モードを記憶し、
   前記複数の動作モードは、前記発電設備の発電状態および解列要因状態に応じた、前記系統連系スイッチ、前記ＤＣ出力スイッチ、および前記ＤＣ出力スイッチに給電する出力の選択の状態を含む、
   ことを特徴とする請求項４に記載のパワーコンディショナの制御方法。
6. 前記発電設備の前記発電状態および前記解列要因状態の監視結果に基づいて、前記記憶部に記憶されている前記複数の動作モードの中から前記直流負荷に応じて設定される動作モードに従って、前記系統連系スイッチ、前記ＤＣ出力スイッチ、および前記ＤＣ出力スイッチに給電する出力の選択を制御するステップをさらに含む
   ことを特徴とする請求項５に記載のパワーコンディショナの制御方法。

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